Inhalt der Vorlesung Kommunikationssysteme

Inhalt der Vorlesung Kommunikationssysteme Einführung Leitungsvermittung und virtuelle Leitungsvermittung Multimediakommunikation über paketvermittelte Netze Dienstgüte in paketvermittelten Netzen Drahtlose Kommunikation Kommunikation in der Automatisierungstechnik Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation

Multimediakommunikation Multimedia über paketvermittelte Netze Streaming Kodierung und Kompression RTP H.2 SIP Asterisk Next Generation Networks Multicast IPTV Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 2

Multimedia über paketvermittelte Netze Multimediaanwendungen Daten, Bilder, Sprache, Audio, Video z.b. in Sprechphasen PCM mit 64 Kbps, alle 20 ms UDP-Paket mit 60 Bytes grundsätzliche Probleme bei Audio + Video - Verzögerung durch Verarbeitung (z.b. Kompression) und Laufzeit beschränkt Interaktivität - Variabilität der Verzögerung (Jitter) erschwert kontinuierliche Wiedergabe - Verluste verschlechtern Qualität - ggfs. geringe Bitrate beschränkt Auflösung (insbes. Video) Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation

Multimedia über paketvermittelte Netze Anforderungen von Multimediaanwendungen bei Interaktion kurze Verzögerung sonst - Irritationen beim Gespräch (< 0 ms Einwegverzögerung unbemerkt, ab 50 ms störend, > 400 ms inakzeptabel) - interaktive Steuerung (z.b. mit Videobild) unmöglich kontinuierliche Wiedergabe der Sprach- und Videoströme (d.h. nur mit geringen zeitlichen Schwankungen) Verluste führen nur zu kurzer Qualitätsminderung und sind in Grenzen tolerierbar (z.b. bis 5 %) Lösungsansätze Streaming: Wiedergabepuffer, um Schwankungen des Netzes auszugleichen, möglich in Best-Effort -Netzen Dienstgütemechanismen wie z.b. Reservierung und Priorisierung Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 4

Multimediakommunikation Multimedia über paketvermittelte Netze Streaming Kodierung und Kompression RTP H.2 SIP Asterisk Next Generation Networks Multicast IPTV Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 5

Streaming Prinzip Sender erzeugt Pakete kontinuierlich (d.h. periodisch) und versendet sie mit Sequenznummer und Zeitstempel die Pakete werden durch das Netz wegen dynamischer Lastsituationen unterschiedlich verzögert beim Empfänger Zwischenspeicherung in Wiedergabepuffer Zeitstempel ermöglicht kontinuierliche (d.h. periodische) Wiedergabe nach einer Verzögerung Puffer des Clients vom Netzwerk Füllrate x(t) gepuffertes Video Entleerungsrate d Dekompression und Abspielen Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 6

gepufferte Daten Streaming Beispielablauf Übertragung mit konstanter Bitrate variable Verzögerung im Netz (Jitter) Empfangen beim Client Abspielen beim Client mit konstanter Bitrate Abspiel- Verzögerung beim Client Zeit Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 7

Streaming Gruppen von Anwendungen Streaming gespeicherter Medien - Wiedergabeverzögerung, Reaktion auf Steuerkommandos kann mehrere Sekunden betragen, größere Jitter können toleriert werden Live Streaming - Verteilung von Audio oder Video wie Radio/TV über Internet - Wiedergabeverzögerung einige Sekunden - eingeschränkte Steuerkommandos (z.b. kein Fast Forward) - meist Unicast Interaktive Anwendungen (z.b. Telefonie, Telemedizin) - Wiedergabeverzögerung < 50 ms bzw. 400 ms - bidirektional - wie Streaming mit kleinerer Wiedergabeverzögerung, wird aber oft nicht als Streaming bezeichnet Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 8

Streaming Zeiten gesendetes Paket i erhält Zeitstempel t i Paket i erfährt variable Verzögerung d i im Netz Paket i kommt zu Zeitpunkt r i = t i + d i an Gesamtwiedergabeverzögerung ist q Paket i wird zum Zeitpunkt p i = t i + q wiedergegeben durch variable Wiedergabeverzögerung beim Empfänger kann variable Verzögerung im Netz ausgeglichen werden w i = q d i Pakete mit Verzögerung > q können nicht wiedergegeben werden, wie Verlust großes q: lange Wiedergabeverzögerung, geringe Wahrscheinlichkeit für Verluste kleines q: umgekehrt Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 9

Streaming Ablauf mit unterschiedlichen Wiedergabeverzögerungen q: Pakete Paketerzeugung Verlust Paketempfang Abspiel-Plan p - r Abspiel-Plan p - r Zeit r p p' Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 0

Streaming Adaptive Wiedergabeverzögerung Durchschnitt und Abweichung aus Messungen gleitender Durchschnitt (Exponentially Weighted Moving Average): - D i = (-u) D i- + u (r i - t i ) - V i = (-u) V i- + u r i - t i - D i - p i = t i + D i + K V i - z.b. u = 0,0 und K = 4 für jeweils. Paket einer Sprechphase berechnen und für alle folgenden verwenden: q = p i - t i, p j = t j + q, j>i für nächste Sprechphase neues q Sprechpausen wenn t i t i- > 20 ms, Unterscheidung von Verlusten mit Sequenznummern off on off on off on t Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation

Streaming Zeitsynchronisation zur kontinuierlichen Wiedergabe muss die Uhr des Empfängers an die Geschwindigkeit des Senders angepasst sein typische Abweichung 00 ppm, also 00 µs pro s Empfänger zu langsam: Puffer füllt sich und kann überlaufen Empfänger zu schnell: Verluste wegen zu später Ankünfte Daten Ankunftszeiten Daten Sendezeiten Abspielzeiten Zeit Zeit Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 2

Streaming Zeitsynchronisation (Fortsetzung) aus physikalischen Gründen (z.b. Temperatur) sind die Taktgeber von Endgeräten unterschiedlich in absoluter Zeit und besitzen unterschiedliche Drift Ansatz : aus den Zeitstempeln des Senders wird über Durchschnittsbildung und Filterung die Frequenz des Senders abgeleitet Ansatz 2: Sender und Empfänger synchronisieren sich über ein zentrales Zeitsignal, das im Netz zur Verfügung steht - z.b. Network Time Protocol (NTP) - Stratum--Server erhalten externes Zeitsignal, z.b. aus GPS oder DCF77 - Clients führen Nachrichtenaustausch mit Servern aus und leiten daraus Unterschied von absoluter Zeit und Taktfrequenz ab - Durchschnittsbildung, Filterung und Einstellung der Taktfrequenz - Weiterreichen über mehrere Hierarchieebenen - normalerweise Genauigkeit auf PCs ca. 0 ms, mehr nur durch besondere Maßnahmen möglich Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation

Streaming Ausgleich von Verlusten ARQ wegen Latenzen meist nicht praktikabel Forward Error Correction (FEC): redundante Daten zum Ersatz verlorener oder korrumpierter Daten z.b. (n+)-stes Paket ist XOR aus vorhergehenden n Paketen, kann ein verlorenes Paket ausgleichen oder Daten mit geringerer Auflösung zufügen: 2 2 2 4 4 Original-Strom Redundanz 2 4 Paketverlust 2 4 Rekonstruierter Strom Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 4

Streaming oder Verwürfelung (Interleaving), Paketverluste erzeugen mehrere kleine Lücken: 2 4 5 6 7 8 9 0 2 4 5 6 Original-Strom 5 9 2 6 04 7 5 4 8 26 Verwürfelter Strom 5 9 2 6 04 4 8 26 Paketverlust 2 4 5 6 8 9 0 2 4 6 Rekonstruierter Strom oder Fehler-Verschleierung (Error Concealment): Wiederholung des letzten Pakets bzw. Interpolation bei Wiedergabe Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 5

Streaming Real-Time Streaming Protocol (RTSP, RFC 226) Beschreibungsdatei des Multimediastroms mit HTTP VCR (Video Cassette Recorder)-ähnliche Steuernachrichten über TCP oder UDP Web browser Media player HTTP GET Presentation desc. SETUP PLAY Media stream Web server Media server PAUSE TEARDOWN Client Server Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 6

Streaming Beispiel für RTSP-Beschreibungsdatei (nicht Teil von RTSP) <title>twister</title> <session> </session> <group language=en lipsync> </group> <switch> <track type=audio e="pcmu/8000/" src = "rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi"> <track type=audio e="dvi4/6000/2" pt="90 DVI4/8000/" src="rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/hifi"> </switch> <track type="video/jpeg" src="rtsp://video.example.com/twister/video"> Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 7

Streaming Beispiel für RTSP-Steuernachrichten C: SETUP rtsp://audio.example.com/twister/audio RTSP/.0 Transport: rtp/udp; compression; port=056; mode=play S: RTSP/.0 200 OK Session 42 C: PLAY rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi RTSP/.0 Session: 42 Range: npt=0- C: PAUSE rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi RTSP/.0 Session: 42 Range: npt=7 C: TEARDOWN rtsp://audio.example.com/twister/audio.en/lofi RTSP/.0 Session: 42 S: 200 OK Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 8

Multimediakommunikation Multimedia über paketvermittelte Netze Streaming Kodierung und Kompression RTP H.2 SIP Asterisk Next Generation Networks Multicast IPTV Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 9

Kodierung und Kompression Kompression von Multimediadaten Kompression und Dekompression oft zeitaufwendig, vor allem Kompression von Video verlustlos: nach Dekompression Originaldaten (bis auf arithmetische Genauigkeit) verlustbehaftet: nach Dekompression Reduktion der Qualität, üblich für Audio, Video Zusammenhang Kompression und Übertragung x Datengröße, r Kompressionsfaktor B Bitrate des Netzes, C Kompressionsrate Zeit zum Senden der unkomprimierten Daten x/b Zeit zum Komprimieren und Senden x/c + x/(rb) Vorteil durch Kompression nur wenn x/c + x/(rb) < x/b, bzw. C > r/(r-) B z.b. für Kompressionsfaktor r = 2 muss Kompressionsrate C größer als 2B sein Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 20

Kodierung und Kompression Verlustlose Kompression Huffman-Kodierung - Daten in Symbole unterteilen, Häufigkeiten der Symbole ermitteln, häufige Symbole mit weniger Bits kodieren Lauflängenkodierung (Run Length Encoding, RLE) - Sequenzen gleicher Symbole durch Anzahl und Symbol kodieren - z.b. AAABBCDDDD als A2BC4D Wörterbuchbasierte Kodierung - Wörterbuch (Tabelle) mit häufig auftretenden Symbolen variabler Länge erstellen, Symbole durch Tabellenindex ersetzen - Wörterbuch muss Daten zugefügt werden - Lempel-Ziv-Algorithmus in Unix-Befehl compress - Graphical Interchange Format (GIF): verlustbehaftete Reduktion der Farben auf die 256 häufigsten, Wörterbuch für häufige Pixelsequenzen 00 a 0 0 b 0 0 c 0 0 0 d e Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 2

Kodierung und Kompression Bildkompression gemäß Joint Photographic Experts Group (JPEG) Phasen - Discrete-Cosinus-Transformation (DCT) 8x8-Matrizen mit Pixeln werden auf Frequenzen transformiert, verlustlos, niedrige Frequenzen geben grobe, hohe Frequenzen feine Merkmale wieder - Quantisierung die Koeffizienten der niedrigen Frequenzen werden in mehr Quantisierungsstufen als die niedrigen abgebildet, damit Verlust der unbedeutenderen Bits - Kodierung Huffman-Kodierung der Koeffizienten, Lauflängenkodierung der Koeffizienten mit Wert 0 in Zickzackmuster Schwarzweißbilder: für Grauwerte Farbbilder: Umrechnung Rot-Grün-Blau (RGB) in Luminanz-Matrix Y und 2 Chrominanz-Matrizen Cb und Cr, Cb und Cr über Pixelmittelung reduzieren, dann obige Operationen für jede Matrix Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 22

Kodierung und Kompression Beispiel für JPEG-Kompression Aufteilung in 8x8-Blöcke mit 64 Grauwerten DCT-Transformation Lauflängenkodierung im Zickzackmuster 80 50 5 00 00 00 00 00 250 80 28 00 00 00 00 00 90 70 20 00 00 00 00 00 60 0 0 00 00 00 00 00 0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 DCT 22 5 5 0 0 0 4 7 0 4 0 0 0 2 2 0 0 0 0 0-4 -4-2 - 0 0 0 0 - - - 0 0 0 0 0 - - 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 räumliche (x,y)-koordinaten Frequenzen in beiden räumlichen Dimensionen Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 2

Kodierung und Kompression Kompression mit 2,5 und 64,8 KB, Qualitätsverlust an den Rändern Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 24

Kodierung und Kompression Videokompression Kodierung ohne Kompression - Bitrate = #Pixels x #Bits pro Pixel x Frame-Frequenz - z.b. 024 x 768 x 24 x 25 = 472 Mbps Moving Picture Experts Group (MPEG) - Kompression in einem Bild ähnlich wie bei JPEG - zusätzlich Ausnutzen von Redundanzen zwischen Bildern, die bei Standbild und Bewegungen auftreten: Makroblöcke, Bewegungsvektoren - Kompressionsfaktoren z.b. 90-50 - Frames I (Intrapicture) mit Einzelbildern, unabhängig von den anderen, ähnlich wie JPEG P (Predicted) mit Unterschied zu vorigen I-Frame B (Bidirectional Predicted) mit Interpolation zwischen letztem I-Frame und nächstem I- oder P-Frame Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 25

Kodierung und Kompression Einige Video-Standards MPEG, für CD-ROM;,5 Mbps MPEG 2 - von 76x44 Pixel für mobile Anwendungen; 0,096 Mbps - über 720x576 Pixel bei DVD; 9,8 Mbps - bis 920x080 Pixel bei HD-DVB (HDTV); 80 Mbps - bis zu 00 Mbps bei 920x080 Pixeln MPEG 4, ursprünglich für Videokonferenzen, geringe Bitraten (64 kbps) H.26, Common Intermediate Format (CIF), 52x288 Pixel, 64 kbps H.26 QCIF, Viertel der Auflösung, 76 x 44 Pixel H.26, CIF, 52x288 Pixel, weniger als 64 kbps H.26 QCIF, 76x44 Pixel H.264/MPEG-4 AVC (Advanced Video Coding) - von Level mit 76x44 Pixel bei 5 Hz mit 80 kbps - bis Level 5. mit 2048x080 bei 00 Hz mit 960 Mbps Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 26

Kodierung und Kompression Audiokompression Pulse Code Modulation (PCM): abtasten, adaptiv quantisieren, kodieren Differential PCM (DPCM): nächstes Symbol wird vorhergesagt (predicted), Unterschied des tatsächlichen Symbols zu vorhergesagten wird kodiert Adaptive DPCM (ADPCM): DPCM mit adaptiven Koeffizienten zur Vorhersage, die on-the-fly berechnet werden Code Exited Linear Predictive (CELP): Unterschied wird durch approximierende Funktionen kodiert MPEG : Signal wird in Frequenzbänder zerlegt und einzeln kodiert, entsprechend eines menschlichen Sprachmodells wird Information verworfen Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 27

Kodierung und Kompression Einige Audio-Standards G.7 - PCM, 8 KHz, 8 Bits pro Abtastung, 64 Kbps - A-Law und µ-law mit unterschiedlicher Quantisierung G.722 (64 Kbps, ADPCM), G.72. (5-6 Kbps, CELP), G.726 (6-40 Kbps, ADPCM), G.728 (6 Kbps, LPC), G.729 (8 Kbps, CELP), GSM ( Kbps, ADPCM) CD: 44, KHz, 6 Bits pro Abtastung,,4 Mbps Stereo, mit Fehlerkorrektur sogar 4,2 Mbps MPEG, Near-CD: 2 bis 84 Kbps MP: MPEG Layer III Advanced Audio Coding (AAC): in MPEG 2 standardisiert, Nachfolger von MP, Profile u.a. für Low Complexity (LC), Low Delay (LD), High Efficiency (HE), Scalable Sample Rate (SSR) für Streaming Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 28

Multimediakommunikation Multimedia über paketvermittelte Netze Streaming Kodierung und Kompression RTP H.2 SIP Asterisk Next Generation Networks Multicast IPTV Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 29

RTP Real-Time Transport Protocol (RTP, RFC 550) verbreitetes Anwendungsprotokoll für den Transport von Multimediadaten üblicherweise über UDP unterstützt Codec-Identifikation, Sequenznummern, Zeitstempel, Sitzungsidentifikation aber nicht Pufferung, FEC, Zeitsynchronisation auf Endsystemen oder Reservierung, Priorisierung im Netz auch keine Bestätigungen und kein Sitzungsaufbau Philosophie: Bereitstellung einheitlicher Funktionalität für Multimediaanwendungen, überlässt möglichst viel der Anwendung, kurzer Paketkopf für Effizienz Erweiterung durch Profile und Formate für Anwendungsklassen Sender kann mehrere Medienströme versenden, z.b. Video und Sprache Unterstützung von Multicast Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 0

RTP RTP-Kopf Version (V, 2 Bits), gegenwärtig 2 Paddingbit (P), Länge in UDP- Kopf, letztes Byte enthält Anzahl von Auffüllbytes Extensionbit (X), Anzeige eines Erweiterungs-Kopfes CSRC Count (CC), Anzahl CSRC-Felder, normalerweise 0 Markerbit (M), spezielle Kennzeichnung gemäß Profil Payload Type (7 Bits) für Codec- Identifikation Sequenznummern (6 Bits), zufälliger initialer Wert, inkrementiert pro Paket Zeitstempel (2 Bits), zufälliger initialer Wert, Einheit (Tick) Codecabhängig (Profil) SSRC (2 Bits), Identifikation der Synchronisationsquelle CSRC (2 Bits), Identifikation mehrer beitragender Quellen 0 8 6 V P X CC M Payload Type Sequence Number Time Stamp SSRC Identifier CSRC Identifier Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation

RTP Bsp.-Aufzeichnung eines RTP-Pakets: Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 2

RTP Zeitstempel. Abtastung im aktuellen Paket im Abstand zu der. Abtastung im letzten Paket in Ticks Absolutwert nicht relevant, nur Relativwert Einheit eines Ticks abhängig von Abtastrate des Payload Type z.b. PCM Mixer - Abtastperiode 25 ms, ein Tick hat Einheit 25 ms - Pakete werden alle 0 ms erzeugt - Zeitstempel in Paket n+ um 0 ms/25 ms = 80 größer als in Paket n Mixer kann mehrere Medienströme zusammenfassen und erstellt dabei neue Zeitstempel z.b. PCM in Telefonkonferenz, Mixer ist SSRC, Quellen CSRCs Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation

RTP Einige Payload-Typen 0: PCM mu-law, Audio, Abtastrate 8000/s, Bitrate 64 kbps : GSM, Audio, Abtastrate 8000/s, Bitrate Kbps 7: LPC, Audio, Abtastrate 8000/s, Bitrate 2,4 kbps 26: Motion JPEG, Video, Abtastrate 90.000/s : H.26, Video, Abtastrate 90.000/s : MPEG2, Audio/Video, Abtastrate 90.000/s Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 4

RTP RTP Control Protocol (RTCP, RFC 889) Ergänzung von RTP, Verwendung des nächsthöheren UDP-Ports Steuermechanismen - Identifikation von Sendern - Synchronisation von Medienströmen - Rückmeldungen von Leistungsmerkmalen Nachrichten - Source Description - Sender Report, Receiver Report - APP (anwendungsspezifisch, Profil) - Bye (Ende) Regelmechanismus, RTCP-Verkehr geringer als 0% RTP-Verkehr, insbesondere bei Multicast Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 5

RTP RTCP-Steuermechanismen Identifikation von Sendern - SSRCs wg. Effizienz kurz, Zuordnung von SSRCs zu kanonischen Namen - kanonische Namen (CNAME) wie z.b. user@domain ermöglichen bessere Identifikation, sind aber zu lang für 2 Bits Synchronisation von Medienströmen - Ticks der Medienströme eines Senders in unterschiedlichen Einheiten - Zeitstempel mit aktueller Tageszeit des Senders und RTP- Zeitstempel - Empfänger kann RTP-Zeitstempel verschiedener Medienströme zuordnen Rückmeldungen von Leistungsmerkmalen - Sender- und Empfängerberichte mit statistischen Informationen, Anwendungen können damit Senderate regeln Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 6

RTP RTCP-Empfängerbericht für jeden empfangenen Medienstrom - SSRC der Quelle - Anteil verlorener Paket der Quelle seit letztem Bericht und seit Beginn - höchste empfangene Sequenznummer - geschätzter Jitter - letzter empfangener RTP-Zeitstempel - letzter RTCP-Zeitstempel von der Quelle - Zeit seit letztem Sendebericht von der Quelle Information über Sitzungszustand z.b. könnten andere Empfänger bessere Qualität erhalten z.b. könnte Sender erfahren, dass viele Empfänger Verluste erleiden und dass er die Senderate drosseln muss Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 7

RTP Bsp.-Aufzeichnung eines Empfängerberichts: Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 8

Multimediakommunikation Multimedia über paketvermittelte Netze Streaming Kodierung und Kompression RTP H.2 SIP Asterisk Next Generation Networks Multicast IPTV Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 9

H.2 H.2 ITU-T Rahmenspezifikation für Multimediakommunikation über paketvermittelte Netze Grundlage der ersten Produkte für Internet-Telefonie Festlegungsbereich und Elemente von H.2: Festlegungsbereich von H.2 H.2 Terminal Paket-basiertes Netz H.2 MCU H.2 Gatekeeper H.2 Gateway H.2 Terminal H.2 Terminal LAN ISDN B-ISDN Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 40

H.2 Elemente von H.2 Terminals: Endpunkte für Daten, Audio, Video (Telefon, PC, ) Gateways: weitere Endpunkte, Übergang zu anderen Netzen Multipoint Control Units (MCU): für Konferenzen ( Mixer) H.2-Zone: ein Gatekeeper + mindestens ein Terminal + optionale weitere Elemente Gatekeeper: - Verwaltung der Elemente einer H.2-Zone: u.a. Registrierung - Adressübersetzung: Abbildung von Aliasnamen wie z.b. user@domain, Telefonnummer auf IP-Adressen H.2-Terminals minimal: System Control Unit, Call Control, Netzinterface, ein Audio- Codec große Anzahl von Audio- und Video-Codecs Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 4

H.2 H.2-Zone Terminal Gatekeeper Gateway MCU Terminal Router Router Terminal Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 42

H.2-Terminal Festlegungsbereich von H.2 Video I/O Equipment Audio I/O Equipment User Data Applications Video Codec H.26, H.26 Audio Codec G.7, G.722, G.72, G.728, G.729, MPEG Data T.20 Receive Path Delay H.225.0 Layer Local Area Network Interface H.245 Bearer Control System Control User Interface Call Control H.225.0, Q.9 RAS Control H.225.0 Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 4

H.2 RAS, Call- und Bearer-Control H.225: Registration, Admission and Status (RAS) über UDP - Endpunkte bei einem Gatekeeper - Nachrichten zur Registration: Registration Request (RRQ), Registration Confirmation (RCF), Registration Reject (RRJ), - Nachrichten zum Zulassen einer Verbindung mit erforderlicher Bitrate: Admission Request (ARQ), Admission Confirm (ACF), H.255.0: Call-Control über TCP - Verbindungssignalisierung zwischen Endpunkten - basiert auf Q.9 (SETUP, ALERTING, CONNECT, RELEASE COMPLETE, ) - Aufbau von Nutzdatenverbindungen für Daten, Audio, Video H.245: Bearer-Control über TCP - Steuerung der Nutzdatenverbindungen zwischen den Endpunkten - Aushandeln von Codecs, Ports für RTP und RTCP, Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 44

H.2 H.2-Schichtenarchitektur Audio Video Terminal Control & Management Data höhere Schichten G.7 G.722 G.72. G.728 G.729.A H.26 H.26 RTCP, H.225 H.225.0 RAS Channel H.225.0 Call Signalling Channel H.245 Bearer Control T.24 Transport Network Link Physical RTP, H.225 X.224 Class 0 UDP TCP IP Link Layer Physical Layer T.25 T.2 Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 45

H.2 Verbindungsaufbau über Gatekeeper: Endpunkt Gatekeeper Endpunkt 2 Nutzverbindung Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 46

H.2 Endpunkt Gatekeeper Gatekeeper 2 Endpunkt 2 Verbindungsaufbau über verschiedene Gatekeeper: Nutzverbindung Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 47

H.2 Verbindungen mit anderen Netzen Gatekeeper kontaktiert Gateway Nutzverbindung zwischen Endpunkt und Gateway, über H.245 aufgebaut, mit H.225 Codecs ausgehandelt, Transport der Nutzdaten mit RTP im Falle einer Vermittlung ins ISDN - Gateway setzt H.245-Nachrichten in Q.9-Nachrichten um (SETUP enthält ISDN-Zielnummer) - D-Kanal wird im ISDN-Netz vermittelt - Nutzdaten in RTP auf D-Kanal, ggfs. Umsetzung zwischen Audio- Codec und PCM, umgekehrt zwischen D-Kanal und RTP Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 48

Endpunkt Gatekeeper Gateway Nutzverbindung Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 49

Multimediakommunikation Multimedia über paketvermittelte Netze Streaming Kodierung und Kompression RTP H.2 SIP Asterisk Next Generation Networks Multicast IPTV Material aus: W. A. Flanagan. VoIP and Unified Communications, Internet Telephony and the Future Voice Network, Wiley, 202 Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 50

SIP Session Initiation Protocol (SIP, RFC 26) IETF-Protokoll für den Aufbau, Steuerung und Abbau von Multimediasitzungen über IP-Netz SIP-Signalisierung über UDP oder TCP, Nutzkanal z.b. über RTP textbasiert, ähnlich zu HTTP Zusammenarbeit mit Session Description Protocol (SDP, RFC 227) für die Beschreibung der RTP-Verbindung (Codecs etc.) einfach im Vergleich zu H.2 populär für Internet-Telefonie, auch für Video, Konferenzen, SIP URI - sip:user@domain (z.b. sip:alice@atlanta.com) - sip:user@ip-adresse (z.b. sip:alice@92.0.2.4) - sip:telefonnummer@domain (z.b. sip:+-22-555-22@gateway.com;user=phone) - allgemein: [sip oder sips]:user:password@[hostname, FQDN, IP oder IP-Adresse]:port;uri-parameters?headers Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 5

SIP SIP-Architektur User Agent (UA) - IP-Telefon, Softphone und ähnliche Geräte - enthält 2 logisch unterschiedliche Komponenten SIP-Proxy UA Client (UAC): initiiert Anfragen (z.b. INVITE-Nachricht) UA Server (UAS): antwortet auf Anfragen (z.b. OK-Nachricht) - agiert als Stellvertreter für UAs: Weiterleiten von Nachrichten - bietet Lokalisierungsdienste - Authoritative Proxy besitzt öffentliche IP-Adresse und DNS-Eintrag (SRV Resource Record) Lokalisierungsdienst - Datenbank für eine Domain, in der UA Proxy UASs finden können - nicht in SIP spezifiziert Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 52

SIP SIP-Architektur (Fortsetzung) Registrar - Server, bei dem sich UACs mit SIP-Adresse/IP-Adresse registrieren können (REGISTER-Nachricht) - Frontend für Lokalisierungsdienst Redirect Server - Proxy mit Zugang zu Lokalisierungsdiensten, kann Informationen über Umzug, Transportmethoden usw. liefern mögliche Implementierungen z.b. - alle Server (SIP-Proxy, Registrar, Redirect Server) auf einer HW/SW-Plattform oder getrennt - Back-to-Back UA (B2BUA), zwei gekoppelte UAs pro Netzanbindung, logische Trennung der Verbindung, Topology Hiding Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 5

SIP Grundsätzlicher Ablauf bei Sitzungsaufbau UAC sendet INVITE mit SIP-Adresse des UAS an SIP-Proxy () SIP-Proxy konsultiert DNS, um Authoritative Proxy der Domain des UAS zu finden (nicht dargestellt) INVITE wird bis UAS weitergeleitet, jeder SIP-Proxy fügt sich in Kopfzeile ein (2, ) UAS sendet OK auf gleichem Weg zurück, jeder SIP-Proxy entfernt sich aus Kopfzeile (4, 5, 6), Dialog ist initiiert ACK von UAC direkt an UAS (7), Sitzung (Session) mit Medientransport über RTP direkt zwischen UAC und UAS UAC SIP-Proxy 2 SIP-Proxy UAS 5 6 7 4 RTP Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 54

UAC SIP-Proxy SIP-Proxy UAS Trying, wenn OK länger als 200 ms benötigt OK initiiert Dialog, UAs kennen Call- ID und Tag-Values des anderen UAs Session, Medientransport (RTP) in beiden Richtungen 200 [OK] Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 55

SIP Bsp. für INVITE-Nachricht von UAC: Methode SIP URI von UAS SIP Version SIP-Proxy, von dem UAC Antworten erwartet durch UAC gesetzt, beginnt immer mit z9hg4bk Startzeile Kopfzeilen Leerzeile Rumpf (SDP) INVITE sip:bob@biloxi.com SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP pc.atlanta.com;branch=z9hg4bk776asdhds Max-Forwards: 70 To: Bob <sip:bob@biloxi.com> From: Alice <sip:alice@atlanta.com>;tag=9280774 UAC-Tag Call-ID: a84b4c76e6670@pc.atlanta.com Call-ID Cseq: 459 INVITE Sequenznummer Contact: <sip:alice@pc.atlanta.com> Content-Type: application/sdp Content-Length: 42 [CRLF for a blank line] c=in IP4 67.80.2.24 m=audio 8060 RTP/AVP 0 Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 56

SIP Bsp. für OK-Nachricht von UAS: SIP Version Code Erklärung Startzeile Kopfzeilen Leerzeile Rumpf (SDP) SIP/2.0 200 OK Via: SIP/2.0/UDP server0.biloxi.com ;branch=z9hg4bknashds8;received=92.0.2. Via: SIP/2.0/UDP bigbox.site.atlanta.com ;branch=z9hg4bk77ef4c2298.;received=92.0.2.2 Via: SIP/2.0/UDP pc.atlanta.com ;branch=z9hg4bk776asdhds;received=92.0.2. To: Bob <sip:bob@biloxi.com>;tag=a6c85cf UAS-Tag From: Alice <sip:alice@atlanta.com>;tag=9280774 UAC-Tag Call-ID: a84b4c76e6670@pc.atlanta.com Call-ID Cseq: 459 INVITE Contact: <sip:bob@92.0.2.4> Content-Type: application/sdp Content-Length: [CRLF for a blank line] c=in IP4 67.80.2.24 m=audio 8060 RTP/AVP 0 werden auf Rückweg entfernt definieren Dialog Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 57

SIP SDP im Paketrumpf enthält Information über Medienströme (Audio, Video, Daten, Steuerung, Anwendungen) Zieladressen (auch Multicast) Ports (für jeden Strom in beiden Richtungen) Nutzlast-Typen (die in Sitzung verwendet werden können) Start und Stoppzeiten (bei Broadcast-Sitzungen) Originator (bei Broadcast-Sitzungen) Protokoll ist erweiterbar, Parser verarbeiten nur die für sie verständlichen Zeilen Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 58

SIP SDP-Beispiel: v=0 o=g.firma88772 288 IN IP4 52.246..22 u=http://www.huethig.de e=mustermann@firma.de c=in IP4 52.246..22 b=ct:64 t=086272726 0 k=clear:manhole cover m=audio 456 RTP/AVP 96 a=rtpmap:96 VDVI/8000/ m=video 458 RTP/AVP m=application 246 udp wb a=orient:portrait Version-Identifier Originator und Session-Identifier URI E-Mail Session-IP-Adresse Bandbreite (64 kbits/s) Start- und Stoppzeit Schlüssel zur Decodierung Media-Beschreibung (Audio), Port-Nr. und Protokoll Eigenschaften (RTP, Codec-Typ 96) Media-Beschreibung (Video), Port-Nr. und Protokoll Media-Beschreibung (Whiteboard), Port-Nr. und Protokoll Eigenschaften (Ausrichtung) Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 59

SIP Registrierung und Lokalisierung Bob s UAC sendet REGISTER an Registrar () Registrar speichert dies in Location-Datenbank (2), kein SIP Alice s UAC sendet INVITE an SIP-Proxy, Weiterleitung (, 4) Authoritative Proxy erfragt Bob s Adresse (5, 6), kein SIP Authoritative Proxy sendet INVITE an Bob s UAS Location-Datenbank Registrar 2 SIP-Proxy 4 SIP-Proxy 5 6 Alice s UA 7 Bob s UA Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 60

SIP Bsp.: für REGISTER-Nachricht: Startzeile Kopfzeilen Leerzeile REGISTER sip:biloxi.com SIP/2.0 Via: SIP/2.0/TCP 92.0.2.2;branch=z9hG4bK-bad0ce--06 Max-Forwards: 70 From: Bob <sip:bob@biloxi.com>;tag=d879h76 To: Bob <sip:bob@biloxi.com> Call-ID: 89248ju72je840.204 Cseq: REGISTER Supported: path, outbound Contact: <sip:line@92.0.2.2;transport=tcp>; reg-id=; +sip.instance="<urn:uuid:00000000-0000-000-8000- 000A95A0E28>" Expires: 600 Content-Length: 0 [CRLF for a blank line] kein Rumpf Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 6

SIP Überblick über SIP-Nachrichten grundlegende Methoden (RFC 26) - INVITE: Initialisierung eines Dialogs und einer Sitzung - OK: Antwort von Server - CANCEL: Unterbrechung - ACK: Bestätigung eines Dialogs - OPTIONS: Information über Eigenschaften der Endsysteme - BYE: Dialog- und Sitzungsabbau - REGISTER: Information über Standort eines Benutzers aus weiteren RFCs zu SIP - Provisional ACK, Update, Refer, Message, Publish, Info, Subscribe, Notify, Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 62

SIP SIP und DNS Wenn Host-Teil der SIP-URI (z.b. in INVITE) eine IP-Adresse ist, kann Nachricht direkt an diese Adresse gesendet werden. ansonsten: DNS-Query für den Host-Teil, ggf. wird A Resource Record oder AAAA-RR (für IPv6) im DNS-Server gefunden oft jedoch ist URI von der Form user@domain.com. Dann ist der Host-Teil ein Domain-Name, es existiert kein A-RR oder AAAA-RR Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 6

SIP SIP und DNS RFC 254 (SIP) schlägt SRV (Service) Resource Records im DNS vor, um einen SIP-Server für eine Domain im DNS zu hinterlegen: _sip._udp.example.com. 600 IN SRV 0 0 5060 sip.example.com. -. Feld: Dienst + Protokoll + Domain - 2. Feld: TTL -. Feld: String IN (Internet) - 4. Feld: String SRV (SRV Resource Record) - 5. Feld: Priorität - 6. Feld: Gewicht (zur Lastverteilung innerhalb einer Priorität) - 7. Feld: Portnummer (TCP oder UDP) - 8. Feld: Server, der den Dienst bereitstellt. Für dieses muss dann wieder ein A-RR existieren Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 64

SIP SIP und DNS Beispiel-Anfrage nach SRV Resource Records: [user@host ~]$ dig _sip._udp.sipgate.de srv ; <<>> DiG 9..6-P-RedHat-9..6-20.P.el5_8.2 <<>> _sip._udp.sipgate.de srv ;; global options: printcmd ;; Got answer: ;; ->>HEADER<<- opcode: QUERY, status: NOERROR, id: 0668 ;; flags: qr rd ra; QUERY:, ANSWER:, AUTHORITY: 2, ADDITIONAL: ;; QUESTION SECTION: ;_sip._udp.sipgate.de. IN SRV ;; ANSWER SECTION: _sip._udp.sipgate.de. 4788 IN SRV 0 0 5060 sipgate.de. ;; AUTHORITY SECTION: sipgate.de. 944 IN NS ns2.netzquadrat.de. sipgate.de. 944 IN NS ns.netzquadrat.de. ;; ADDITIONAL SECTION: sipgate.de. 4706 IN A 27.0.79.9 Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 65

SIP SIP und DNS RFC 26 definiert DNS-Einträge zum Auffinden von SIP-Servern für unterschiedliche Transportschicht-Protokolle (UDP, TCP und SCTP) ohne und mit TLS-Verschlüsselung der SIP-Nachrichten. NAPTR (Naming Authority Pointer) Resource Records erlauben Zuordnung von Protokollen, die der Server unterstützt, Prioritäten, reguläre Ausdrücke, z.b.: ; order pref flags service regexp replacement IN NAPTR 50 50 "s" "SIPS+D2T" "" _sips._tcp.example.com. IN NAPTR 90 50 "s" "SIP+D2T" "" _sip._tcp.example.com IN NAPTR 00 50 "s" "SIP+D2U" "" _sip._udp.example.com. Dienste: - SIP: ohne Verschlüsselung, SIPS: mit TLS-Verschlüsselung - D2T: TCP in der Transportschicht, D2U: UDP, D2S: SCTP Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 66

SIP Umleitung über Redirect-Funktion SIP-Registrar kennt Ziel-SIP-Adresse nicht, sendet Umleitungs- Nachricht (z.b. 02 Moved Temporarily) SIP-Registrar 2 SIP-Registrar 2 4 6 5 SIP-Client SIP-Client Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 67

SIP-Client Registrar Registrar 2 SIP-Client Nutzkanal (RTP) in beiden Richtungen Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 68

SIP Ablauf bei Redirect. INVITE-Nachricht an Registrar (biloxi.example.com): INVITE sip:bob@biloxi.example.com SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP client.atlanta.example.com:5060; branch=z9hg4bkbf9f44 Max-Forwards: 70 From: Alice <sip:alice@atlanta.example.com>;tag=9fxced76sl To: Bob <sip:bob@biloxi.example.com> Call-ID: 2xTb9vxSit55XU7p8@atlanta.example.com CSeq: INVITE Contact: <sip:alice@client.atlanta.example.com> Content-Length: 0 Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 69

SIP Ablauf bei Redirect Antwort von Registrar : SIP/2.0 02 Moved Temporarily Via: SIP/2.0/UDP client.atlanta.example.com:5060; branch=z9hg4bkbf9f44;received=92.0.2.0 From: Alice <sip:alice@atlanta.example.com>;tag=9fxced76sl To: Bob <sip:bob@biloxi.example.com>;tag=5fhlqlq2 Call-ID: 2xTb9vxSit55XU7p8@atlanta.example.com CSeq: INVITE Contact: <sip:bob@chicago.example.com;transport=tcp> Content-Length: 0 Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 70

SIP Ablauf bei Redirect Nach Bestätigung dieser Nachricht (ACK) folgt eine zweite INVITE- Nachricht, diesmal an Registrar 2 (chicago.example.com): INVITE sip:bob@chicago.example.com SIP/2.0 Via: SIP/2.0/TCP client.atlanta.example.com:5060; branch=z9hg4bk74bf9 Max-Forwards: 70 From: Alice <sip:alice@atlanta.example.com>;tag=9fxced76sl To: Bob <sip:bob@biloxi.example.com> Call-ID: 2xTb9vxSit55XU7p8@atlanta.example.com Spezielle Redirect-Server liefern stets nur aktuelle URI des Angerufenen Weitere Beispiel-Abläufe: RFC 665 (SIP Basic Call Flow Examples) Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 7

SIP Media Gateways (MGW) für den Übergang zu anderen Netztechnologien Konvertierung der Signalisierungsinformationen zwischen SIP- oder H.2-Signalisierung und - ISUP für ISDN - DTMF bzw. Stromschleife unterbrechen für analoges Telefon Konvertierung der Nutzinformation (Sprachkanal) zwischen RTP-Datenstrom und - Bitstrom für ISDN - analoge Signale für das klassische Telefonnetz Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 72

SIP Media Gateways (MGW) IP LAN Media Gateway PSTN Terminierung RTP Kontext X n x DS0 Terminierung DS Terminierung Kontext RTP Y Null-Kontext Terminierung ISDN Kontext Terminierung RTP/IP DS0 Br Terminierung Terminierung Terminierung POTS Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 7

SIP Media Gateways (MGW) Eine Terminierung stellt logische Einheit dar, die Signalisierungs- oder Mediendaten empfangen oder senden kann - permanent bereitgestellte analoge Leitung - logische UDP-Verbindung zu einem IP-Netz Kontexte: logische Zuordnung zwischen Terminierungen zu den Kontexten werden nach Bedarf Umkodierungs- oder Bridge- Einheiten hinzugefügt typischerweise mehrere MGWs gesteuert von einem Media Gateway Controller (MGC) über MEGACO-Protokoll Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 74

SIP MEGACO MEdia GAteway COntrol protocol (IETF und ITU: H.248. Version 2 und ) Transport der Nachrichten über IP-Netz Anrufe werden durch Nachrichten zwischen MGC und MGW in kleinen Schritten bearbeitet Befehle - Add: fügt eine Terminierung in einen Kontext ein, bei der ersten Terminierung wird ein neuer Kontext erzeugt - Modify: ändert die Eigenschaften, Ereignisse oder Signale einer Terminierung - Subtract: entfernt eine Terminierung aus einem Kontext, löscht den Kontext nach Entfernung der letzten Terminierung Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 75

SIP MEGACO Befehle - Move: bewegt eine bestehende Terminierung von einem Kontext in einen anderen - AuditValue: liefert aktuelle Eigenschaften, Ereignisse, Zustände von Signalen und Statistiken von Terminierungen zurück - AuditCapabilities: liefert alle möglichen Belegungen für erlaubte Eigenschaften einer Terminierung zurück - Notify: Erlaubt es dem MGW, den MGC über Ereignisse zu benachrichtigen Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 76

SIP MEGACO Befehle - Service Change: MGW kann MGC über Ausschalten oder Inbetriebnahme von Terminierungen informieren MGC gibt MGW Handover bekannt MGC instruiert MGW, Terminierungen ein- oder auszuschalten aktuell aktiver MGC kann MGW an anderen MGC übergeben MGW verfügt über DigitMap, einen Rufnummernplan, der festlegt, bei Wahl welcher Ziffernfolgen der MGC mit einer Notify-Nachricht informiert werden soll Beispiele: siehe Abschnitt Next Generation Networks Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 77

SIP Übergang zu anderen Netzen hier z.b. Übergang zur ISDN-Vermittlungsstelle - Gateway setzt SIP-Nachrichten in SS7-Nachrichten um - Nutzkanal ab Gateway wird zunächst nur in eine Richtung durchgeschaltet, um Empfang von Hörtönen zu ermöglichen Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 78

Verbindungsabbau Verbindungsaufbau SIP-Client Proxy Gateway ISDN-VSt Nutzkanal in beiden Richtungen Nutzkanal in einer Richtung Nutzkanal in beiden Richtungen SS7-Nachrichten Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 79

SIP Verbindung von ISDN-VSt über SIP und IP RTP-Media-Verbindung Network-Gateway Network-Gateway 2 ISDN-VSt A Nutzkanal (PCM-Kanal) Nutzkanal (PCM-Kanal) ISDN-VSt B Signalisierung (SS7-Kanal) Signalisierung (SS7-Kanal) SIP-Signalisierungsaustausch SIP-Proxy Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 80

Verbindungsabbau Verbindungsaufbau ISDN-VSt Network-Gateway Proxy Network-Gateway 2 ISDN-VSt Nutzkanal in einer Richtung RTP-Nutzverbindung in beiden Richtungen Nutzkanal in einer Richtung Nutzkanal in beiden Richtungen RTP-Nutzverbindung in beiden Richtungen Nutzkanal in beiden Richtungen SS7-Nachrichten SS7-Nachrichten Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 8

SIP Festanschlüsse mit SIP-Telefonen: RTP-Media-Verbindung Network-Gateway Network-Gateway 2 ISDN-VSt A Nutzkanal (PCM-Kanal) ISDN-Anschluss Signalisierung (SS7-Kanal) SIP SIP Internet SIP SIP SIP-Proxy SIP-Telefon RTP-Media-Verbindung RTP-Media-Verbindung SIP-Telefon Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 82

SIP Abbildung von E.64-Nummern auf IP-Adressen verbreitet: Datenbank in Gateway, statischer Ansatz alternativ: ENUM (RFC 76) - Verwendung des DNS - Abbildung von E.64-Telefonnummern auf Domainnamen - Top-Level-Domain arpa, Subdomain e64, Entfernung der Sonderzeichen, Umkehrung der Reihenfolge - z.b. +6-0-245678 auf 8.7.6.5.4..2..0..6.e64.arpa - in DNS-Einträgen Abbildung auf IP-Adressen - erweiterte NAPTR (Naming Authority Pointer) Resource Records, enthalten reguläre Ausdrücke, können verschiedene Dienste einschließlich zeitlicher Präferenzen liefern, z.b. SIP-Telefon, Festnetztelefon, Mobiltelefon Mail-Server, Web-Server Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 8

Multimediakommunikation Multimedia über paketvermittelte Netze Streaming Kodierung und Kompression RTP H.2 SIP Asterisk Next Generation Networks Multicast IPTV Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 84

Asterisk Software-basierte Telefonanlage GNU/Linux, BSD und MacOS X, Open-Source Unterstützung für Hardware-Schnittstellen diverse Kanäle: - analoges Telefonnetz (sowohl FXS als auch FXO) - ISDN (Anschluss an öffentliches Netz und interne ISDN-Kanäle) - H.2 - SIP (UA und Registrar) - IAX (Inter-Asterisk exchange) - weitere VoIP-Protokolle Asterisk als Gateway zwischen verschiedensten Technologien Dialplan: Zuordnung von Aktionen zu Ereignissen Leistungsmerkmale: - Anrufbeantworter-Funktionalität (Voicebox) - Konferenzen - Warteschleifen - detaillierte Abrechnung und Anruflisten uvm. Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 85

Asterisk Beispiel für Nutzung im Privathaushalt SIP-Telefon SIP-Registrar des Providers ISDN- Telefon SIP-Telefon Mobiltelefon Internet analoges Telefon analoges Telefon öffentliches Telefonnetz Asterisk- Server SIP- Softphone Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 86

SIP-Telefone SIP-Telefon SIP-Registrar des Providers Mobiltelefon Internet Asterisk Beispiel für Nutzung in bestehender Firmen-Netzwerk- Infrastruktur Asterisk- Server analoges Telefon öffentliches Telefonnetz LAN- Switch SIP- Softphone Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 87

Asterisk Beispiel für Nutzung bei SIP-Provider als Gateway zu öffentlichem Telefonnetz Asterisk- Server SIP-Registrar Location- Datenbank Internet SIP-Telefone Kunden öffentliches Telefonnetz Mobiltelefon Festnetz- Telefon SIP- Softphone Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 88

Multimediakommunikation Multimedia über paketvermittelte Netze Streaming Kodierung und Kompression RTP H.2 SIP Asterisk Next Generation Networks Multicast IPTV Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 89

Next Generation Networks Next Generation Networks (NGN) NGN steht für die Konvergenz von Telekommunikationsnetzen (fest und mobil) und Datennetzen auf IP-Basis IP-Telefonie ist treibende Kraft, NGN möchte aber noch mehr, i.w. Wiederholung der Visionen für ISDN und ATM nun auf Grundlage des Internets Standardisierung durch ITU-T, GPP (rd Generation Partnership Program) einige Gründe - Datenverkehr wächst stärker als Sprachverkehr - Kosteneinsparung durch Konzentration auf eine Technologie - Multimedia und Dienstgüte in paketvermittelten Netzen jetzt möglich - offene Architektur, Integration flexibler Dienste möglich Fragen: wird Kostenersparnis bei der Verfügbarkeit klassischer Vermittlungssysteme (z.b. 99,9995 %, Minuten/Jahr für das Kernnetz) wirklich erreicht? Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 90

Next Generation Networks Kennzeichen eines NGN Paketorientiertes Netz für alle Dienste Quality of Service Offenheit für neue Dienste Trennung Verbindungs-/Dienststeuerung vom Nutzdatentransport Integration bestehender Telekommunikationsnetze und Zugangsnetze Application Server Multimedia-Dienste Hohe Bitraten Einheitliches Netzwerkmanagement Mobilität Sicherheitsfunktionen Entgelterfassung für Dienste Skalierbarkeit Nutzerzugang zu verschiedenen Netzen und Dienstanbietern Berücksichtigung geltender regulatorischer Anforderungen Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 9

Next Generation Networks NGN-Endgeräte alte Telefone und Anlagen (analog/isdn) IP-Telefone mit Ethernet/WLAN Signalisierung mit H.2 (ITU-T) oder SIP (IETF), Transport mit Streaming z.b. über RTP PCs mit Softphone NGN-Zugangssysteme analog, ISDN DSL typische LAN-Schnittstellen: Ethernet, WLAN weitere Funktechnologien: LTE, UMTS, WiMAX, Bluetooth weitere Zugangstechnologien: Kabel, Powerline direkt über SDH Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 92

Next Generation Networks NGN-Netz Media Gateways, zur Wandlung anderen Nutzverkehrs in IP-Verkehr - beim Zugang - beim Anschluss externer Netze (z.b. mit klassischer Vermittlung) - direkter IP-basierter Zugang benötigt keine Media Gateways Signaling Gateways für die Übergabe von SS7-Verkehr Media Gateway Controller (auch Softswitch/Call Agent/Call Server genannt) für die Steuerung der Verbindungen, verwendet zur Signalisierung: - ISUP over IP mit Signaling Gateways und anderen Media Gateway Controllern - H.2 oder SIP mit IP-Endgeräten - MEGACO (Media Gateway Control Protocol) mit Media Gateways IP-Router für den Transport allen Nutz- und Signalisierungsverkehrs, Traffic Engineering mit MPLS und spezielle QoS-Eigenschaften vom Transport unabhängige Dienste (klassische und erweiterte IN-Dienste, IP- Dienste wie WWW usw., neue Programmierschnittstellen) TMN-Management Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 9

Next Generation Networks Übergang vom klassischen Telefonnetz zu NGN PSTN Circuit Switch Circuit Switch PSTN Circuit Switch Klassische Architektur Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 94

Next Generation Networks Übergang vom klassischen Telefonnetz zu NGN Soft Switch V IP/MPLS V PSTN V Media Gateway Next Generation Networks PSTN Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 95

Next Generation Networks Schematischer Aufbau TDM Soft Switch Vermittlungsstelle Vermittlungsstelle TDM DLC V V DLC V V ISDN/POTS Media Gateway V IP/MPLS Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 96 V Media Gateway DLC: Data Link Controller, zur Anbindung klassischer, TDM-basierter Komponenten mit PCM-Audioströmen an ein NGN ISDN/POTS

Next Generation Networks Beispielhafte physikalische Architektur eines NGN-Netzes Signalisierung SS7-Kanal ISUP over IP Signalling- Gateway Media- Gateway- Controller H.2- oder SIP- Verbindungssteuerung Nutzkanal (PCM-Kanal) Media- Gateway MEGACO RTP VoIP- Client Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 97

A-Tln ISDN Signalling Gateway Media-Gateway-Controller B-Tln SIP Setup IAM IAM Media Gateway IAM Media Gateway ADD CALL_PROC [Create Context] ADD Reply [Create Context] Reply ALERT ACM ACM ACM Invite 80 [Ringing] Tln hebt ab 200 [OK]

A-Tln ISDN Signalling Gateway Media-Gateway-Controller B-Tln SIP Media Gateway Media Gateway Notify Off Hook Reply Tln hebt ab (200) [OK] Modify [Ringing Off] CONN ANM CONN_ACK ANM ANM Modify [Ringing Off, Activation RTP] Reply Reply ACK Nutzverbindung

Nutzverbindung Tln legt auf BYE DISC REL REL-COM REL REL-COM REL Notify [On Hook] Reply Substract 200 [OK] REL Substract Reply REL-COM Reply

Next Generation Networks Konversion von Vermittlungsstellen zu NGN Anschlüsse werden ersetzt durch Media Gateways, bzw. sind nicht mehr notwendig Koppelnetz wird ersetzt durch IP-Netz, die Router sind ggfs. an leitungsvermittelte Übertragungssysteme angeschlossen (z.b. SDH, WDM) Steuerung (Call Control) wird ersetzt durch Media Gateway Controller Einsatzszenarien Ersatz des leitungsvermittelten Transportnetzes + Zugang: direkt angeschlossene IP-Endgeräte + Mobilität: z.b. UMTS-Architektur + Multimedia: Streaming für Sprache klar, auch Video und Echtzeit-Spiele Multimedia und Dienstgüte sind also zentral für NGN Konzepte, Protokolle, Architekturen für Dienstgüte wird im nächsten Kapitel behandelt Mobilität kommt dann anschließend Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 0

Multimediakommunikation Multimedia über paketvermittelte Netze Streaming Kodierung und Kompression RTP H.2 SIP Asterisk Next Generation Networks Multicast IPTV Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 02

Multicast Unicast: ein Sender, ein Empfänger Multicast: ein Sender, mehrere Empfänger Einsatz: IPTV, Internet-Radio, Content Distribution, Sprach- und Video- Konferenzen, Multiplayer-Games, durch Unicasts (z.b. bei Streaming): auf Anwendungsebene (z.b. bei P2P): Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 0

Multicast auf Netzwerkebene: - minimiert zu transportierende Daten - 2 Bestandteile Internet Group Management Protocol (IGMP) Multicast-Routing- Protokoll zwischen Routern IGMP IGMP wide-area multicast routing IGMP Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 04

Multicast IGMP, RFC 226 Signalisierung zwischen Endsystem und. Router IGMPv2-Nachrichten: Multicast-Adresse für Gruppe (IPv4, Klasse D) 8 6 2 Type Time to live Checksum Multicast group address 28.59.6.20 IGMP 28.9.40.86 28.4.08.6 IGMP IGMP Wide-area multicast routing IGMP mcast group 226.7.0.97 28.4.08.60 Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 05

Multicast Beispiel für eine IGMP-Join-Nachricht Sender - IP-Adresse 92.68.. - MAC-Adresse 00:0e:0c:72:f:6f Empfänger: - IP-Adresse 224.0.0.22 (Multicast) - MAC-Adresse 0:00:5e:00:00:6 (Multicast) Multicast-Gruppe 29... Kommunikationssysteme, Multimediakommuniation 06