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Internet Telephonie - VoIP

Ein grundlegender Einblick in die Welt von VoIP: Geschichtliche Hintergrundinformationen, Definitionen, technische Grundlagen, Sicherheitsmechanismen, Qualitätskriterien, sowie Interoperabilität und Zukunftsaussichten.


Autor: Edith, Dipl.-Ing. Dusch (edithD)
Datum: 11-07-2002, 20:34:00
Referenzen: Black, Uyless:
Schwierigkeit: Fortgeschrittene
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Rating: 9.75 (4x bewertet)

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1. Einführung

1.1. Geschichtliche Hintergrundinformation

Vor einigen Jahren steckte die Internet Telefonie noch in den Kinderschuhen, die ersten Vorschläge zur paketorientierten Sprachübertagung stammen aus den 70er Jahren. Das erste Experiment zur paketorientierten Internet-Audio-Übertagung fand 1974 in den USA zwischen California und Massachusetts statt. Bis 1995 machte die Entwicklung einen Winterschlaf, aber dann wurde eine Telefonie Applikation vorgestellt. An die Endgeräte (Computer) hängte man ein Telefon, damit die Sprachqualität besser wird, da die PCs nicht konstruiert wurden analoge Signale zu digitalen Signalen (A/D)(Kodieren) umzuwandeln oder digitale zu analogen (D/A) (Dekodieren). 1996 war das Jahr des IP Telefonie Client. 1997 das Jahr des Gateways, 1998 des Gatekeepers und 1999 das Jahr der Applikationen. Nach meiner Schätzung wird das Jahr 2000 das Jahr des SIP sein und das Jahr 2001 das Jahr der Interoperabilität zwischen SIP und H.323 sein.

Die Möglichkeit der Audiokommunikation über das Internet wurde erstmals Realität im Februar 1995, als die Firma Vocaltec sein Internet Telefonie Programm "Internet Phone" vorstellte. Es wurde designed für einen 486/33 MHz PC ausgestattet mit Soundkarte, Lautsprecher, Mikrophon und Modem. Das Programm übersetzte Audiosignale in Digitale und sendete die Pakete übers Internet. Diese Möglichkeit des Telefonierens von PC zu PC war nur dann möglich wenn beide Teilnehmer das gleiche Programm benutzten.


Abbildung A.1.: zeigt den ersten IP Telefonie tauglichen PC

Innerhalb von kurzer Zeit hat sich die Internet Telefonie weiterentwickelt. Viele Software Entwickler haben Internet Telefonie Programme angeboten. Weiters sind sogenannte Gateways entstanden, welche die Kommunikation zwischen Internet und PSTN (Public Switched Telephone Network) ermöglichten.
Eine weitere Notwendigkeit in der Entwicklung war die Entwicklung von Standards. Die Industrie versuchte stufenweise Standards zu entwickeln um die Zuverlässigkeit und die Sprachqualität zu steigern. Die Standards fokussierten sich auf drei Elemente von Internet Telefonie: Audiokodeformat, Transport Protokolle und Directory Service. Der erste Standard entstand im Mai 1996 von der ITU, wo das H.323 Protokoll spezifiziert wurde. Diese Spezifikation enthält die Beschreibung wie Audio, Video und Daten über ein IP basiertes Netz in einem LAN übertragen werden soll. Die Beschreibung verwendet RTP/RTCP (real time transport protocol/real time transport control protocol) für die Echtzeitübertagung von Audio, Video und Daten.

1.2. Internet Telefonie: ein Beispiel, was Wirklichkeit werden soll
John und Joe sitzen beiden an einem Computer, Joe ruft John an, John nimmt den Anruf entgegen, audiovisuelle Daten werden übertragen. Nach einer Weile will John auch Alice bei dem Gespräch haben. Mit dem Befehl "ADD Alice" werden über die Proxies Alice' Aufenthaltsorte zu Hause, im Büro, am Handy usw. parallel ermittelt. Danach wird Alice angewählt, bei ihr klingelt es parallel zu Hause, im Büro, am Handy usw. Da sie mit dem Auto unterwegs ist, nimmt sie das Gespräch per Handy entgegen (nur Audio). Während des Gesprächs fällt Joe ein, eine Videosequenz einer Webseite könnte bei dem Gespräch hilfreich sein, so spielt er die Videosequenz in das Gespräch hinein. Später verabschiedet sich John von dem Gespräch, Joe und Alice plaudern weiter, später kommt Bob dazu.

2. IP Telefonie Einführung

2.1. Definition und Einführung

"Voice over IP" (VoIP) bedeutet den Transfer von Audiodaten in Paketen. Man verwendet dafür verschiedene Begriffe, wie Internet Telefonie, IP Telefonie, Packet Voice und auch Voive over IP. Voice over Internet Protocol (VoIP) hat die Aufgabe Audioübertragung auf einem paketbasierten Netzwerk zu übertragen und folgende zwei Services zu ermöglichen: einerseits die Übertragung der Audiodaten und andererseits die Signalisierung über ein paketbasiertes Netzwerk. Die anfängliche Herausforderung an VoIP war und ist noch, die Echtzeitübertragung, synchrone und bidirektionale Kommunikation.
Derzeit macht das Telefonieren übers Internet die User noch nicht glücklich, da die Qualität der Audioübertragung und die Fähigkeit des Internets Audioübertragung zu bieten, zu wünschen lässt. Trotzdem ist das Interesse der Industrie an dieser Art der Kommunikation sehr hoch. Organisationen rund um die Erde suchen Lösungen, um die Kosten der immer wachsenden Kommunikation zu reduzieren. Viele Firmen suchen auch Lösungen die Daten- und Audioübertagung auf ein Netzwerk zu legen und dadurch Kosten zu sparen. Dies kann erreicht werden, wenn ein paketvermitteltes Netzwerk wie IP verwendet wird, welches Daten und zur gleichen Zeit auch Audiodaten übertragen kann. Für die Architektur müssen zwei Punkte bedacht werden, einerseits soll die Architektur die Signalisierung bewältigen, und anderseits die Audio, Video und Datenübertagung.

2.2. IP Telefonie vs. PSTN (Public Switched Telephone Network)

Der grundlegende Unterschied zwischen PSTN und der IP Welt ist die Vermittlungstechnik. Die IP-Internet-Welt verwendet dynamisches Routing, während PSTN statisches Routing (abhängig von der geographischen Lage) verwendet. Die Übertragung bei PSTN ist Leitungsvermittlung, wozu eine fixe Bandbreite benötigt wird. Dies hat allerdings den Vorteil, dass die Sprachqualität sehr gut ist. Nach dem Abheben hört man das Freizeichen, gibt die gewählte Nummer ein und hört wie es auf der anderen Seite klingelt. Bei der IP Welt ist es ein bisschen anders, die Audiodaten werden in Datenpakete umgewandelt und beim Empfänger werden die Datenpakete in Audiosignale zurückgewandelt.

Bevor IP Telefonie sich so weit wie PSTN ausdehnen und verbreiten kann, muss sie an die Qualität von PSTN herankommen. Dies bedeutet Echtzeitübertagung mit guter Qualität. Die Hauptmerkmale von Audioqualität sind derzeit Verzögerung, Paketverlust, Jitter und Echo. Weiters ist eine Zusammenarbeit zw. PSTN und IP notwendig, damit man von einem zum anderen Netz telefonieren kann.
Die Vorteile von IP gegenüber PSTN sind die niedrigen Kosten für weite Distanzen, die zusätzlichen Services, welche günstig angeboten werden können, ein universelles Netz, welches für Audio-, Video- und Datenübertragung verwendet werden kann, und die sinkenden Kosten für die Instandhaltung und das Managen von Netzen. Dies bedeutet, dass die Firmen alles nur mehr über die IP Netze abwickeln, vom Telefonieren, Faxen bis zur Datenübertragung. Für die Konsumenten bedeutet es billige Internet Anrufe. Nachdem die IP Anrufe in der Qualität nicht so gut sind wie PSTN Anrufe, wird der Preis auch niedriger sein als die traditionellen Telefonanrufe. Die Provider (ISP) werden den Vorteil haben, dass sie außer Internetzugang noch zusätzliche Dienste wie Telefonieren und Faxen über IP anbieten können.

2.3. Die Herausforderung an IP Telefonie

IP überträgt Audio, Video und Daten, dies kann mit Verspätung oder sogar mit Verlust gekennzeichnet sein. Bei der Audioübertragung kann ein Verlust mancher Wörter die Lust am Sprechen verderben. Folgende Herausforderungen gibt es für die IP Telefonie:

- Die Qualität soll den Kriterien von Quality of Service (QoS) entsprechen und zuverlässig sein, weil besonders für Echtzeitapplikationen diese Kriterien von sehr hoher Wichtigkeit sind. Die Protokolle und die Technologie müssen ausreifen.
- Zusammenbinden und Integrieren des Telefon und Telekommunikationssektors, Integrieren von Network Management Systems (NMS) und von Customer Care and Billing (CCB) Systems, die Vereinheitlichung des Marktes. Die IP Telefonie enthält neue Komponenten, die man in bestehende Netze aufnehmen muss.
- Schaffung von Interoperabilität - Interworking (Zusammenarbeit) zwischen verschiedenen Standards.

Von der technischen Seite her sind, folgende drei Faktoren der Audioübertragung zu beachten, wenn man VoIP, Internet Telefonie ermöglichen möchte:
- Paket Verzögerung: (packet delay): beschreibt wie lange es dauert bis ein Paket vom Sender zum Empfänger gelangt.
- Benötigte Bandbreite: (bandwidth requirements) beschreibt wie viel Bandbereite für eine Audio Video Transaktion notwendig ist.
- Rechenleistung: (computational effort) wie hoch ist der Berechnungsaufwand (wie Kosten, Aufwand und Komplexität) für Kodieren, Transport und Dekodieren der Audiodaten, damit man es für Netze anbieten kann.

Die Aufmerksamkeit der neuen Möglichkeit zu telefonieren, IP Telefonie, ist gewachsen, daraus werden folgende Punkte wichtig: Weggehen von verschiedenen Lösungen und eine standardisierte Lösung schaffen, Servicequalität bieten, welche mit PSTN vergleichbar ist, und Zusammenarbeit von IP und PSTN zu bieten. Weitere Anforderungen an die IP Telefonie sind: Mobilität für alle User, Universelle Zugreifbarkeit, egal wo der User ist, Interoperabiliät mit allen Protokollen, mit Service Provider, und über die nationalen Grenzen hinaus, Zuverlässigkeit, das Netzwerk soll robust, verteilt und fehlertolerant sein, Skalierbarkeit, Skalierung von wenigen Usern bis zu großen Firmennetzen, Sicherheit, durch Authentifikation und Verschlüsselung, Standard für Anwendungen, automatisches Anrufbehandlung, calling card service, Internet Video, Fax Service, Video Konferenzen, Audio Anwendungen.

2.4. Grundfunktionen der IP Telefonie

Bei der Internet Telefonie ist ein Signalisierungsprotokoll notwendig, welches die multimediale Datenübertragung und den Wechsel zw. Audio und Video (visuelle) Kommunikation der User ermöglicht. Weiters sind mehrere Protokolle nötig, wie zum Beispiel für das Abspielen eines Videos während eines Gespräch, ist das RTSP (Real Time Streaming Protocol) [RFC 2326] nötig. Um zum Beispiel Anrufe umzuleiten vom Internet auf ein Handy über ein Gateway ist das GLP (Gateway Location Protocol) nötig.

Grundfunktionen der Internet Telefonie:
- Standortbestimmung der Teilnehmer (User Location): Wenn A mit B reden möchte, dann muss der Aufenthaltsort von B im Netzwerk gefunden werden, bevor eine Verbindung gemacht werden kann. User können zu verschiedenen Zeiten an verschiedenen Orten sein, weiters können auf verschiedenen Wegen (Handy, traditionelles Telefon, Terminal, PC Büro ...) erreichbar sein. Dies ist vor allem für die User wichtig, die keine permanente IP Adresse haben.
- Einrichtung einer Sitzung (Session establishment): ein Signalisierungsprotokoll erlaubt dem angerufenen Teilnehmer den Anruf entgegenzunehmen, abzulehnen oder umzuleiten zu einer anderen Person, Sprachbox, oder Webseite.
- Sitzungsverhandlung (Session negotiation): Eine multimediale Sitzung enthält verschiedene mediale Daten und benötigt Anwendungen für Audio, Video, usw. Der Prozess der Sitzungsverhandlung erlaubt die Einbeziehung der Gesprächspartner bei der Festlegung dieser Sitzungsparameter.
- Management der Anrufteilnehmer (Call participant management): ist nötig, da die User die Sitzung/das Gespräch jederzeit verlassen können oder auch sich dazugesellen können.

3. IP Telefonie und technische Grundlagen

3.1. IP für Internet Telefonie


IP (Internet Protocol) ist nicht gerade das geeignetste und attraktivste Protokoll für Audioübertragung, da dieses Protokoll ursprünglich für Datenübertragung gedacht war. Aber da IP überall beim jedem PC, jedem Server und jeder Workstation vorhanden ist, ist es die logische Wahl Nummer eins, um eine Plattform für Internet Telefonie zu sein. Weiters ist eine VoIP Plattform umgeben von vielen anderen Protokollen und Technologien, IP ist nur die Grundlage, auf dem alles basiert. VoIP kann allein keine effektive Audioübertragung bieten, dazu sind andere Protokolle notwendig: wie das "Real Time Protocol" (RTP), "Media Gateway Control Protocol" (MGCP), "Resource Reservation Protocol" (RSVP), H.323, "Session Initation Protocol" (SIP) und andere Protokolle um VoIP zu gewährleisten.

3.2. Telefon Szenarien

Verschiede Möglichkeiten und Szenarios sind möglich:

1. Telefon zu Telefon über die öffentlichen Netze:



2. Computer zu Computer:

Beiden Teilnehmer sind Computer/Terminals, zwischen ihnen ist das IP Netz. Beide benötigen eine Soundkarte, ein Mikrophon, Lautsprecher und kompatible Client Software. Wenn die Verbindung zwischen PCs über das Internet geht, dann braucht man ein bis mehrere Router im Internet um eine Verbindung aufzubauen. Die Aufgabe der Router ist es die Zieladresse im Paket zu prüfen und die Daten an die entsprechende Adresse zu routen. Der Router arbeitet unabhängig davon ob es Audiopakete oder Datenpakete sind. Das Problem was hier auftritt ist die Qualität der Audiodaten, da die PCs nicht konstruiert wurden, um analoge Signale in digitalen Signalen (A/D)(Kodieren) oder digitale in analoge (D/A) (Dekodieren) umzuwandeln. Um das Problem besser in den Griff zu bekommen, könnte man an jedem Endcomputer ein Telefon hängen oder die Soundqualität am PC verbessern.



3. Computer zu Telefon:

Ein Computer aus der IP Welt und ein Telefon aus der ISDN / PSTN / GSM Welt. Dabei wird ein Gateway zwischen der IP-Welt und der Telefonwelt dazwischengeschaltet. Das Gateway hat die Aufgabe die Signale aus der IP Welt in die Signale für die Telefonwelt umzuwandeln und weiterzuleiten. Um so eine Verbindung zustande zu bringen, braucht man auf der IP Seite Router und um die Verbindung in das öffentliche Netz zu leiten, ein Gateway.



4. Telefon zu Telefon über die IP Welt:

Beide Teilnehmer sind Telefonbenutzer, dabei werden zwei Gateways benötigt, welche die Signalisierung, den Datentransport und die Datenumwandlung übernehmen. Um so eine Verbindung zwischen einem Telefon aus dem öffentlichen Netz und dem Internet aufzubauen ist ein VoIP Gateway notwendig. Das Gateway hat die Aufgabe die Audiodaten in Pakete aufzuteilen und über das Internet weiterzuschicken. Das andere Gateway an der Empfängerseite wandelt die Pakete aus dem Internet in die Audiosignale der öffentlichen Netze zurück.



5. Nicht vergessen sollte man die Möglichkeit des Telefonierens zwischen Telefonen, wobei jedes Telefon an einem PC hängt, in einem LAN (Local Area Network) über Ethernet. Dabei gibt es kein Gateway für jede Verbindung, sondern die PCs hängen im LAN und die lokalen Anrufe im LAN werden über ein Gateway verwaltet. Ein LAN kann für Audio, sowie Datentransfer verwendet werden, wodurch die Kosten niedrig sind, und dies zieht die Aufmerksamkeit der Industrie auf sich.

Bei manchen von diesen Telefon-Szenarien wird das Wort Gateway verwendet. Ein Gateway ist eine Verbindung auf der physikalischen Ebene, um zwei verschiedene Systeme zu verbinden und die Audiodaten umzuwandeln. z.B.: ein 64kbit/s digital Audioimage des Telefonnetzes (SS7 Signaliserung) umzuwandeln in ein 8 kbit/s Audioimage für einen PC im LAN.

Ein IP Gateway kann in folgende Komponenten eingeteilt werden:
- Signalisierung Gateway (SG oder SGW): ist zuständig für die Signalisierung zwischen Endusern auf dem Netzwerk. Auf der PSTN (Public Switched Telephone Network) Seite wird SS7 oder DSS1 verwendet, welches dann an der IP Seite in SIP oder H.323 Signalisierung umgewandelt werden muss.
- Media Gateway (MG oder MGW): Wenn einmal ein Anruf initiiert wurde (mittels Signalisierung), dann beginnt die Audio/Video/Daten Übertagung, wofür der MG verantwortlich ist.
- Media Gateway Kontroller (MGC): wird verwendet um einen oder mehrere Media Gateways zu kontrollieren.

3.3. Technische Aspekte der IP Telefonie

Die IP Telefonie verlangt nach neuen Technologien, wie neue Netzelemente und Protokolle. Die Netzelemente übernehmen folgende Aufgaben: Anruf Management, Routing und Speicherung von Anrufinformationen. Die Protokolle sind für die Signalisierung zuständig, wie für die Anrufinitialisierung (zwischen zwei oder mehreren Teilnehmern), Anrufbeendung, Standortbestimmung des Teilnehmers, Adressen-Übersetzung, Bewältigungen von neuen Services, Management von Anrufteilnehmern, wie z.B. Einladung eines neuen Gesprächspartners. Zusätzlich sind die Signalisierungsprotokolle für Sicherheit, Abrechnung und Adressverzeichnis (directory service) zuständig.

Das wichtigste bei Internet Telefonie ist die Echtzeitübertragung und die Qualität der Audio und Videodaten. Derzeit gibt es zwei Protokoll Standards für IP Telefonie: H.323 standardisiert von ITU (International Telecommunications Union), und SIP (Session Initiation Protocol) von IETF (Internet Engineering Tasks Force). Wobei H.323 schon keine so schlechte Position eingenommen hat, ist SIP erst dabei die Welt kennen zu lernen.

H.323 [ITU-T Recommandation H.323] ist ein Standard für Multimedia Kommunikation über LAN (Local Area Network), welches kein Quality of Service bietet. H.323 gehört zur H.32x Kommunikationsstandardserie, welche für Multimedia Kommunikation über verschiedene Netzwerke, inkl. ISDN und PSTN, erstellt wurden.

SIP [RFC 2543] ist ein Standard, der von der Multiparty Multimedia Session Control (MMUSIC) Gruppe der IETF entwickelt wurde. SIP ist noch in der Entwicklung, basiert auf HTTP und ist einfacher als H.323. In Wirklichkeit wurde SIP für Multimedia Konferenzen designed. Zusätzlich zu SIP, wurden zwei Signalisierungsprotokolle zur SIP Architektur dazugenommen, welche jetzt ein Teil von SIP sind: Session Description Protocol (SDP) [RFC 2327] und Session Announcement Protocol (SAP) [RFC 2974]. Das SIP Protokoll ist eine Alternative zu H.323. Verwendet ähnliche Adressen wie bei Email.


Abbildung A.2.: zeigt die Protokoll Architektur für Internet Multimedia Service

3.4. IP (Internet Protocol)

Das Internetprotokoll (IP) ist im wesentlichen ein Routingprotokoll (Weiterleiten). Der Header des IPs enthält eine Quell-IP-Adresse und eine Ziel-IP-Adresse. Die IP Adresse wird von jedem Router überprüft und als Index der Routingtabelle verwendet, um das IP-Datengramm an den nächsten Knoten weiterzuleiten. Zuletzt wurde IPv4 verwendet und als neue Version gilt IPv6. IPv4 und IPv6 unterscheiden sich in ihrer Fähigkeit, Multiservice Applikationen zu unterstützen. IPv4 wurde entwickelt, um Daten zu unterstützen. IPv6 hingegen hat weitgehende Fähigkeiten um Sprach-, Video- und Datenapplikationen zu unterstützen. Die neue Version IPv6 erweitert den Adressraum von 32 Bit auf 128 Bit, dies müsste für ein Jahrzehnt ausreichen. Gründe für die Änderung von IPv4 auf IPv6 war einerseits die Adressenkrise und anderseits die neuen Internet Anwendungen im Bereich Audio- und Videobearbeitung. Die Basiskonzepte von IPv4 bleiben erhalten, aber es gibt folgende Änderungen: Adressraum Erweiterung, Header Format Änderung, mehrere Header (ein Basic Header und mehrere Zusatzheader), Video- und Audiounterstützung bei Echtzeitübertragung, weiters ist ein erweiterbares Protokoll entstanden.

3.5. TCP (Transmission Control Protocol) und UDP (User Datagram Protocol)

UDP (User Datagram Protocol) [RFC 0768] war lange Zeit eine Hauptstütze im Internet. Es ist ein sehr wichtiges Werkzeug für Multiservice-Operationen, weil es dazu verwendet wird, die Internetports, über die mehrere Multiservice-Anwendungen arbeiten, zu verwalten. Diese Internetports dienen zur Identifizierung aller Schicht-7-Anwendungen. Eine Alternative zur verbindungsorientierten Kommunikation ist eine verbindungslose Schnittstelle, die es dem Anwender ermöglicht jede Nachricht an jedes beliebige Ziel zu senden. Bei der Verwendung eines verbindungslosen Transportprotokolls muss die sendende Anwendung für jede zu sendende Nachricht ein Ziel angeben. UDP ist so ein verbindungsloses Transportprotokoll.

TCP (Transmission Control Protocol) [RFC 0793] ist ein verbindungsorientiertes Protokoll und verantwortlich für die zuverlässige Datenübertagung zwischen zwei Hosts. Folglich benutzt es fortlaufende Nummern und Empfangsbestätigungen, um sicherzustellen, dass die Daten sicher am Ziel angekommen sind. TCP wird bei den meisten Multiservice-Operationen nicht verwendet, weil seine umfangreichen Funktionen eine enorme Verzögerung des Verkehrs verursachen würden. Zusätzlich überträgt TCP fehlerhafte Pakete erneut, und es hat Timer, um verlorengegangene Pakete erneut zu übertragen. Manche Anwendungen erfordern aber eine Zuverlässigkeit bei der Übertagung. TCP bietet dies und noch mehr: eine verbindungsorientierte Übertagung (zuerst muss eine Verbindung da sein bevor man Daten austauschen kann), Punkt-zu-Punkt-Übertragung (jede Verbindung hat genau zwei Endpunkte), absolute Zuverlässigkeit (garantiert die Übertagung der Daten ohne Datenverlust), Vollduplexübertragung (in beide Richtungen können Daten fließen), Stream-Schnittstelle (die Anwendung sendet eine fortlaufende Bytefolge, da es keine Garantie gibt, dass die Pakete in der selben Reihenfolge ankommen, wie sie weggesendet wurden), zuverlässiger Verbindungsaufbau und eleganter Verbindungsabbau (nach Senden von beliebig vielen Daten kann die Verbindung abgebaut werden). Die Zuverlässigkeit geht auf Kosten von Zeit. Die Verzögerung, bis Daten ihr Ziel erreichen und eine Bestätigung zurückkommt, hängt auch von der Verkehrsauslastung des Internet sowie von der Entfernung ab.
Diese Eigenschaften des TCP sind bei einer Übertagung in Echtzeit störend. Im Gegensatz dazu ist UDP ein verbindungsloses Protokoll ohne Fehlerkorrektur, ohne Zeitüberschreitung, ohne ACKs (positive Empfangsbestätigung) und ohne NAKs (negative Empfangsbestätigung). Der UDP wird auch verwendet, da der UDP Header die Nummer der Internetquellports und des Internetzielports enthält. Die Internetquellport und Internetzielport sind für die richtige Ausführung der Schicht-7-Protokolls notwendig.

Diese Beschreibung hebt hervor, dass bei UDP eine schnellere Datenübertagung und bei TCP eine zuverlässigere Datenübertragung möglicht ist. Das Internet Telefonie Protokoll SIP läuft sowohl unter UDP als auch unter TCP, wobei H.323 nur TCP verwendet. Bei UDP/IP heißt ein Internet Paket IP-Datengramm (IP Datagram). Es hat das gleiche allgemeine Format: das Datengramm beginnt mit einem Header, gefolgt vom Nutzdatenbereich. Der Header enthält Informationen zur Steuerung des Datengramms an das Ziel. Die Größe des Datengrammes wird von der Anwendung bestimmt, von der die Daten gesendet werden. Durch die flexible Größe von Datengrammen eignet sich IP für verschiedene Anwendungen. Der Header von IPv4 kann höchstens 64 Kbyte enthalten. Zusammenfassend kann man sagen, dass man ein über UDP/IP übertragenes Paket IP-Datengramm nennt, bestehend aus einem Header mit fester Größe und einem Datenbereich mit variabler Größe. Quell- und Zieladresse im Datengramm-Header sind IP Adressen.

3.6. RTP (Real Time Protocol - Real Time Transport Protocol)

Als die Entwicklung des Real Time Protocol [RFC 1889] begann, war es das Ziel ein Protokoll zu entwickeln, welches interaktive multimediale Konferenzen ermöglicht. Heutzutage kann RTP nicht nur von multimedialen Konferenzprogrammen verwendet werden, sondern RTP bietet ebenfalls andere Dienste, wie das Speichern von kontinuierlichen Daten, multimediale Verbreitung, verteile Simulation und Kontrolle der Anwendungen. RTP existiert nicht allein als separates Protokollschicht, sondern wird in Anwendungen implementiert. Zwei weitere Protokolle sind noch wichtig, wenn es um das Thema Datenübertragung in Echtzeit geht: Das RTTP (Real Time Transport Protocol), welches sich um die Daten mit Echtzeiteigenschaft kümmert und das RTCP (Real Time Control Protocol), welches verwendet wird um QoS zu überwachen und Informationen über die Teilnehmer einer Konferenz zu überbringen.

4. Sicherheitsmechanismen bei IP Telefonie

Das Internet ist ein offenes Netzwerk, wo jeder Pakete senden und empfangen kann. Das Lauschen ist einfacher als bei PSTN (Public Switched Telephone Network ). Deswegen sind einige Sicherheitsmechanismen nötig, um das Lauschen zu verhindern. Zusätzlich zu den Audiodaten, benötigen auch die Signalisierungsdaten einen Schutz.

Vier Sicherheitsmaßnahmen sind in der IP Telefonie definiert:
- Authentifizierung: ein Prozess, welcher sichert, dass die Teilnehmer auch die sind, für wen sie sich ausgeben.
- Integrität: ein Prozess, welcher sichert, dass der Inhalt der Pakete während der Übertragung nicht verändert werden kann.
- Privatsphäre: Verwendung von Verschlüsselung um das Lauschen von Paketinhalten zu verhindern. Um die Privatsphäre zu schützen, gibt es zwei Möglichkeiten: die IP Telefonie Programme beinhalten Sicherheitsfunktionen oder externe Protokolle wie TLS (Transport Layer Security) und IPSec (IP Security protocol) sorgen für die Sicherheit.
- Nicht-Anerkennung: ein Prozess um zu verhindern, dass jemand abstreiten kann, dass er etwas getan hat. (z.B. der Anrufer möchte seine Rechnung nicht bezahlen, mit der Begründung dass er gar nicht telefoniert hat)

Sicherheit bei H.323: H.323 bietet Authentifizierung, Integrität, Privatsphäre und Nicht-Anerkennung. Zusätzlich zum Datenfluss ist auch das Anruf Signalisierungsmanagement und auch RAS geschützt. Zusätzlich zu den Audiodaten, brauchen auch RAS, Q.931 und H.245 einen Schutz. Mit RAS muss die Integrität der Daten innerhalb der Pakete geschützt werden und beide Endpunkte (User) müssen sich authentifizieren. Im Moment ist die Integrität nicht komplett gewährleistet und die Privatsphäre der RAS Daten ist nicht definiert. Typischerweise, verlangen die Gatekeeper vom User sich zu authentifizieren, aber umgekehrt können auch Clients vom Gatekeeper eine Authentifizierung verlangen. Weires sorgt das H.235 Protokoll für "security" von H.323.

Sicherheit bei SIP: Nachdem SIP [RFC 2543], HTTP [RFC 2068] sehr ähnlich ist, hat es auch ähnliche Sicherheitsmechanismen wie HTTP. Authentifizierung von Anrufer und Angerufenem könnte mit HTTP Mechanismen realisiert werden, welches Basic (Text Passwort) und Ziffer Authentifizierung inkludiert. Der Schlüssel für die Entschlüsselung, wird unter Verwendung von SDP (Session Description Protocol) transportiert. Die Vorschläge für SIP enthalten keine Überlegungen zur Sicherheit. In SIP Version 2.1 sind verbesserte Sicherheitsmechanismen inkludiert. Es wird eine Authentifizierung der Endpunkte (User) und eine Verschlüsselung mit PGP (Pretty Good Privacy) oder S/MINE(optional) definiert. Diese Methoden werden ursprünglich für das Unterzeichnen und Verschlüsseln von Nachrichten verwendet.

Firewall Interoperabilität: Heutzutage sind alle Intranets mit einer Firewall geschützt. Damit IP Telefonie möglich wird, müssen H.323 und die Firewall zusammenarbeiten können. Eine Veränderung, Ergänzung für die Zusammenarbeit ist nötig. Ein H.323 Proxy ist nötig, welcher Anrufe überwacht und entscheidet ob sie durch die Firewall durchgelassen werden oder nicht. Ein Proxy kann als ein spezieller Rechner betrachtet werden, welcher neben Bandbreite auch die Zugriffe kontrolliert. H.323 verwendet dynamische Port Adressen. Wenn also ein Anruf initiiert wird, dann wird eine Port Nummer zugewiesen und eine neue TCP Verbindung an dem Port eröffnet. Der Proxy soll die Adressen zwischen internen Anwendungen und Firewall zur Adresse der externen Anwendung und Firewall übersetzen, und umgekehrt. Diese Art von Proxy kann man als Anwender Proxy bezeichnen, die anderen Arten von Proxy sind für H.323 nicht geeignet. Bei SIP verursachen die Firewalls keine Probleme. Nur eine TCP oder UDP Verbindung ist nötig und es kann einfach eine Firewall Konfiguration dazugegeben werden.

5. Qualitätskriterien für IP Telefonie

5.1. Quality of Service (QoS)


QoS bei IP Telefonie ist kompliziert und herausfordernd. QoS ist folgendermaßen definiert: "the collective effect of service performance which determine the degree of satisfaction of a user of the service", also der kollektive Effekt von Serviceleistung, welcher am Grad der Zufriedenheit der User zum Vorschein kommt.

Die ETSI hat QoS etwas genauer spezifiziert:
- QoS Anforderungen von den Usern,
- QoS Angebot vom Service Provider,
- QoS Erreichung durch Service Provider,
- QoS Wahrnehmung durch den User,
- QoS Anforderungen vom Internet Service Provider

Bei Internet Telefonie ist der wichtigste QoS Punkt die Wahrnehmung vom User, welche zwei Qualitätspunkte aufweist: Sprechqualität und die Verzögerung während des Gesprächs. Für die Entwicklung von QoS für IP Telefonie wären folgende zwei Punkte von Bedeutung: eine Ausstattung für die User zu entwickelt, welches effizienten Code bei der Stimmendigitalisierung für den Transport ermöglicht (effizient: Qualität mit weniger Bits) und zweitens die Netzwerkübertragung zu verbessern, damit man QoS bei den Endusern erreicht. Heutzutage bieten IP Netzwerke (wie das Internet) noch eine limitierte QoS Kapazität. Eine bessere QoS zu gewährleisten, könnte durch das Resource Reservation Protocol (RSVP) erreicht werden.

5.2. RSVP (Resource Reservation Protocol)

RSVP [RFC 2208] ist ein Protokoll, welches erlaubt Kanäle oder Pfade im Internet zu reservieren für Multicast Übertragungen von Audio, Video oder andere Nachrichten. Dies funktioniert folgendermaßen: Bevor die Kommunikation losgeht, wird eine RSVP Anfrage geschickt um Bandbreite und Priorität für die Pakete zu beantragen. Diese Anfrage geht an das nächste Gateway mit RSVP Server. Dort wird bestimmt, ob der User berechtigt ist solch eine Reservierung zu tätigen, und wenn dies der Fall ist, dann wird versucht Bandbreite zu reservieren ohne frühere Reservierungen zu benachteiligen. Wenn die Reservierung erfolgreich ist, dann geht die Reservierung weiter, bis man den Zielserver erreicht hat. Falls auf dem Weg zum Zielserver eine Reservierung nicht gemacht werden kann, dann werden die anderen früheren Reservierungen auch gelöscht. Die RSVP Pakete sind sehr flexibel designed, da sie in der Größe und bei der Datenart variieren können. Falls mal die Pakete durch ein Gateway geschickt werden müssen, welcher kein RSVP bietet, dann können die Pakete als übliche Pakete über das Gateway geschickt werden. Natürlich könnte diese Lösung für das Internet einige Probleme mit sich bringen, wenn zum Beispiel alle Internet User sich beliebig viel Bandbreite reservieren können. Aber für das Intranet wäre es eine gute Lösung.

5.3. QoS Punkte

Internet Telefonie hat einen Vorteil, der sich Kostenreduktion nennt, und einen Nachteil, der sich Quality of Service (QoS) nennt. Das Problem QoS, was hier auftritt, kann derzeit noch nicht ganz gelöst werden.

Folgende Punkte des QoS sollen noch erfüllt werden:
- Delay - Verzögerung: verursacht zwei Probleme, einerseits ein Echo und andererseits eine Gesprächsüberlappung. Ein Echo ist eine Reflexion vom Sprecher zurück zu seinem Ohr. Dies wird als wichtiges Qualitätsproblem angesehen, welches bei einer Verzögerung von mehr als 50 Millisekunden auftritt. Eine Gesprächsüberlappung hat man wenn die Verzögerung größer ist als 250 Millisekunden und äußert sich indem man beide Gesprächspartner gleichzeitig reden hört.
- Accumulation Delay - Ansammlungs- und Abwicklungsverzögerung: tritt auf bei der Ansammlung von Audiopaketen zu einem Ganzen, damit es von digitalen zu analogen Signalen umgewandelt werden kann. Dies kann von 125 Mikrosekunden bis zu einigen Millisekunden dauern.
- Network Delay - Netzwerk Verzögerung: tritt auf wegen dem physikalischen Medium Netzwerk und den Protokollen, welche den Transport über das Netzwerk übernehmen. Diese Netzwerkverzögerung hängt natürlich von der Netzwerkkapazität ab.
- Jitter: Das Verzögerungsproblem sieht die Notwendigkeit von Jitter Entfernung vor, die Pakete werden so lange zurückgehalten bis das langsamste Paket auch angekommen ist, damit man die Pakete in der richtigen Reihfolge wieder zusammensetzen kann.
- Lost Packet Compensation - Ausgleich der Paketverluste: Paketverlust kann verschiedene Ursprünge haben, während der Übertragung werden die Audiopakete von Datenpaketen nicht unterschieden. Daher ist eine Verlustverhinderung nötig.

Vergleich der Audio und Datenübertagung bei folgenden Anforderungen:
- Fehlertoleranz: Audioübertragung hat eine hohe Fehlertoleranz. Bei der Datenübertagung ist die Fehlertoleranz ganz niedrig, da falls ein Bit nicht stimmt ändert es die Bedeutung der Daten.
- Verzögerungstoleranz: dies ist auch unterschiedlich bei Audio und Datenübertragung. Bei der Audioübertragung soll die Verzögerung niedrig sein, meist kleiner als 300ms. Wenn der Redner (A) redet und der Zuhörer (B) zuhört, dann kann der Zuhörer B erst dann etwas sagen, wenn die Sprechsignale von A komplett Übertragen wurden, so ergibt sich dass A eine kurze Zeit lang wartet und nichts hört. Wenn die Verzögerung 400 bis 500ms erreicht, dann enthält das Gespräch solche Pausen.
- Toleranz für variable Bitrate und konstante Bitrate: Bei der variablen Bitrate ist das Senden und Empfangen von Daten asynchron (zu jeder Zeit, wo gerade nicht gesendet oder empfangen wird) möglich. Die konstante Bitrate braucht man für Audioübertagung, da man eine garantierte Bandbreite und einen konstanten und kontinuierlichen Zeitabstand zwischen Senden und Empfangen benötigt. In der Praxis hat man variable Bitraten, da die Audioübertragung über das IP Netzwerk transportiert wird und nicht über die Telefonnetze, bei denen man eine konstante Bitrate hat.

6. Interoperabilität - Zusammenarbeit

Wenn alle Netzwerkelemente das selbe Protokoll verwenden, dann ist die Zusammenarbeit einfach und man braucht sich kein Kopfzerbrechen über die Interoperabilität (Interworking) machen. Wenn aber verschiene Protokolle verwendet werden, dann ist die Interoperabilität zwischen ihnen sehr wichtig. Viele Organisationen treiben die Kompatibilität zwischen verschiedenen IP Telefonie Standards voran. Die Absicht von ETSIs Projekt TIPHON (Telecommunications and Internet Protocol Harmonization Over Networks) ist, IP Telefonie mit anderen Telekommunikationstechnologien zu kombinieren, die Ermöglichung der Zusammenarbeit von IP Telefonie und von leitungsvermittelter Telefonie (PSTN). Genau so gut wird ein Standard zwischen H.323 und SIP notwendig.

Gateway Interoperabilität: ein Gateway schaltet Anrufe von einem Protokoll zu einem anderen Protokoll durch. Als nächstes sehen wir einen Anrufer aus der IP Welt mit dem SIP Protokoll und einen Angerufenen aus der PSTN Welt mit dem SS7 Protokoll. Zwischen ihnen ist ein Gateway, das die SIP Syntax in SS7 Syntax umwandelt:


Abbildung A.4.: zeigt die Signalisierung zwischen SIP und SS7 Usern in Form von einem Ablaufdiagram

H.323 und SIP können auch nicht auf dem direkten Weg miteinander kommunizieren, ein SIP-H.323 Gateway ist notwendig. Wenn ein anderes Netzwerk z.B. PSTN verwendet wird, dann braucht man ein Gateway, der H.323 in PSTN umwandelt und ein anderes Gateway, das PSTN in SIP umwandelt, und umgekehrt. Wenn es ein SIP-H.323 Gateway gibt, dann muss die Signalisierung umgewandelt werden, der mediale Datenfluss (Audio, Video, Daten) braucht nicht notwendigerweise übersetzt werden, weil beide Protokolle das RTP (Real-time Transport Protocol) für den Transport verwenden. Wenn dies nicht der Fall ist, dann muss auch der mediale Datenfluss übersetzt werden.

7. Internet Telefonie von Heute und Morgen

7.1. IP Telefonie von Heute


Die User die IP Telefonie nutzen wollen, brauchen die richtige Ausstattung: Soundkarte, Mikrophon, Lautsprecher, Modem oder Netzwerk Karte, Internet Verbindung, IP Telefonie Client Programm. Weiters ist für die Video Übertragung eine Videokamera und TV Karte notwendig. Die Ausstattung ist von dem Anwendungsgebiet abhängig, ob nur Telefonieren oder auch Video Konferenzen möglich sein sollen, dem entsprechend ist die Ausstattung teurer und umfangreicher. PC: mindestens ein Pentium II, mit 64 MB RAM ist nötig. Modem: sollte 56.0 Kbit übertragen können. Es gibt bereits einige IP Telefonie Client Programme: Microsoft Netmeeting (mit H.323) and Messanger (mit SIP), VocalTec InternetPhone, Netscape Conference, und Net2phone. Allerdings müssen beide User das gleiche Programm verwenden, weil jedes Programm seinen eigenen Stimmen- Komprimierungsalgorithmus verwendet. QoS ich nicht sehr ausgereift, und der User kann sicher viele interessante Erfahrungen mit IP Telefonie sammeln. Allerdings ist es noch nicht für professionelle, wirtschaftliche Zwecke einsetzbar.
Man könnte derzeit die Intranet Telefonie als Vorläufer der Internet Telefonie bezeichnen. Trotz der rapiden Entwicklung der Internet Telefonie gibt es Probleme bei der Zuverlässigkeit und bei der Sound Qualität, dies ist der limitierten Bandbreite und der richtigen Kompressionstechnologie zu verdanken. Das Resultat bei vielen Unternehmen ist der Versuch die Telefonkosten zu senken indem sie Internet Telphonie nur auf Firmeninterne Intranets einschränken. Mit mehr Bandbreite beim Internet kann man vorhersagen, dass Internet Telefonie auch das Internet erobern wird. Was noch erforderlich ist, sind nicht PC basierte Telefon Software oder Internet Accounts.

Die technische Barriere, die bei Internet Telefonie vorhanden ist, ist die Notwendigkeit der Zuverlässigkeit, und hohe Audioqualität wie bei PSTN Netzwerken zu gewährleisten. Im Moment sind beide Aspekte am Internet noch nicht ganz ausgreift. Grundsätzlich wegen der begrenzten Bandbreite und wegen des Paketverlusts. Paketverlust würde sich bei Gesprächen in Form von kurzer stiller Kommunikation und als Lücken äußern. Dies ist allerdings inakzeptabel im privaten Bereich, sowie auch in der Wirtschaft.

7.2. IP Telefonie von Morgen

Die Technologie entwickelt sich sehr rasant. In der Zukunft wird es verschiedene Arten von IP Telefonie Anwendungen geben. Hier ein paar Merkmale, welche in der Zukunft von IP Telefonie erfüllt werden:
- IP Telefonie soll bequem und günstiger sein als das derzeitige Telefon.
- Quality of Service muss gewährleistet sein, ohne Verzögerungen, keine Nebengeräusche und Rauschen, und die Videobewegungen müssen glatt gehen.
- Multi Funktionalität soll gewährleistet sein, es soll ein Telefon, sowie Pager, Kreditkarte, Notepad, Taschenrechner und Video Terminal in einem sein.
- Verschiedene Anwendungsgebiete soll es haben, einerseits als Büro für zu Hause oder Firma, aber auch als Unterhaltung.
- Mobilität: (ein großes Wort der Zukunft, auch schon in der Gegenwart) einloggen soll von überall möglich sein.
- Design: soll gut aussehen und sich auch gut anfühlen, damit die Userakzeptanz steigt. Es soll nicht nur ein Tool sein, sondern ein unverzichtbarer, gut aussehender Teil der Zimmereinrichtung. Oder am besten wäre es überhaupt es mit sich herumzutragen, damit es auch ein Statussymbol wird, und niemand darauf verzichten mag.
- Der Preis für die gute Ausstattung soll niedrig gehalten werden.

Das erste Service, das nach den Audioanrufen kommen wird, ist die Videotelefonie, welche für einige Jahre noch ein Traum bleiben muss. Die IP Telefonie dringt in die Haushalte vor und jeder wird es verwenden können um einfach zu telefonieren oder Videokonferenzen zu führen, um ein Eck billiger, als bis jetzt. Nachdem IP Telefonie nicht die ganze Bandbreite reservieren wird, wird man neben telefonieren, auch Daten übertragen können, Datenbankabfragen machen, etc. Der Möglichkeit des flexiblen Arbeitens wird nichts im Wege stehen. Für die Unterhaltung und das Spielen am Computer wird es auch Vorteile geben, da die Spieler während des Spielens in Echtzeit über die Spielstrategie diskutieren können. IP wird überall und andauernd in der Zukunft verwendet, bei der Mikrowelle, Fernseher, Stereo Anlage etc. Man wird zu Hause anrufen vom Handy oder von der Firma und die Heizung aufdrehen, die Sauna einschalten, und anderen Geräten Befehle erteilen. Weiters können IP Telefonie Terminals die Unterhaltungszentren der Zukunft werden, mit Radio und Video Services, welche über IP, für das Zuhause oder für Reisen als Mobiltelefon, angeboten werden können. Wenn das elektronische Buch ausgereift ist, wird man auch die Bücher über IP nach Hause holen. Wenn man zum Beispiel das Buch in der Firma vergessen hat, dann holt man über das Telefon das Buch nachhause. Also, das Telefon der Zukunft kann ein Mini-Office werden, inkl. Pager, Kreditkarte, Notepad, Taschenrechner, Video Terminal, etc. und alle Arten von Daten (Audio, Video, Daten) können verschickt und empfangen werden. Das Telefon wandelt die Daten dann in Text, Bild, Video, Audio um. Die Kombination von E-Commerce und mobilem Telefon Service soll einfache Zahlungsmöglichkeiten bieten.



picard
Professonial
Beitrag vom:
16-07-2002, 12:50:59

Siehe auch unser Glossar!

Da stehen auch einige Erklärungen drin!

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"...denn wir arbeiten nicht nur um uns selbst zu verbessern, sondern auch den Rest der Menschheit!"


neo
Administrator
Beitrag vom:
11-07-2002, 20:53:22

wow

ein echt guter artikel, welcher super übersichtlich einen gesamtüberblick über das thema gibt...

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\iii/


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