Úvod do VoIP

VoIP systémy patří k nejnovějším technologiím v oblasti komunikace. Kapacita internetových spojů se každoročně zdvojnásobuje a tak VoIP se dostává z laboratoří do běžného života. Připravili jsme pro vás úvod, který vás seznámí s možnostmi a principy VoIP technologií.

 

Co je to VoIP

Využití IP telefonie

Přenos hlasu a kodeky

Architektura a protokoly

Architektury sítí VoIP

Protokoly využívané ve VoIP

Protokol H.323

Komponenty definované protokolem

Propojení komponent

Struktura protokolu

Příklady průběhu spojení

Protokol SIP

Komponenty

Komunikace komponent a identifikace

Porovnání protokolů H.323 a SIP

Protokol RTP a RTPC

Hardware

Hlasová brána

Call Manager

IP telefony

Implementace v distribuovaném prostředí

Co je to VoIP

VoIP umožňuje přenos hlasu v sítích s přepojováním paketů založených na protokolu IP. VoIP tak tvoří alternativu ke klasické telefonii, založené na použití sítí s přepojováním okruhů přes veřejnou telefonní sít. Tato alternativa je velice perspektivní a to hned z několika důvodů.

Datové sítě se v současnosti rozvíjejí a šíří mnohem rychleji než telefonní sítě. Přenos hovorů v datových sítích je ekonomicky výhodný, protože rozsáhlé a geograficky rozdělené společnosti mohou uskutečňovat hlasový provoz po vlastních datových sítích, jimiž většina společností disponuje. Připojení operátora poskytujícího na IP konektivitě i hlasové služby logicky vede k nižším cenám, neboť jsou redukovány náklady na komunikační infrastrukturu.

Dalším aspektem IP telefonie jsou nové aplikace a doplňkové služby využívající informační technologie, právě v propojení s oblastí IT je ukrytý dosud nevyužívaný potenciál IP telefonie. Další důvod zavádění VoIP je snaha o sjednocení komunikačních standardů a vytvoření tak sítí s integrovanými službami, které jsou schopny nad jedinou infrastrukturou přenášet data, hlas nebo video.

Využití IP telefonie

ip_tel_034.jpg, 4 kB

Toto využití lze označit jako scénář IP-Phone to IP-Phone, vlastní IP telefon je realizován jako SW aplikace pro PC nebo hardware v podobě IP telefonu. Tento scénář je používán nejvíce pro vnitrofiremní komunikaci.

ip_tel_035.jpg, 6 kB

Toto využití lze označit jako scénář PSTN to PSTN. Dochází k propojení sítí PSTN (Public Switched Telephone Network - klasická analogová telefoní síť) přes IP sít. PSTN je připojeno do IP sítě pomocí bran zajišťujících převod. Tento scénář je využíván také v rámci podniků mající PSTN síť, je také využíván operátory a je nabízen za cenově zvýhodněných volání.

ip_tel_036.jpg, 7 kB

Scénář IP-Phone to PSTN (resp. PSTN to IP-Phone) je v podstatě analogií předchozího scénáře. Objevuje se ve veřejné síti a realizuje výstup z IP sítě v určitém bodě a nabízí přístup do PSTN jako službu VoIP to PSTN (nebo naopak).

Přenos hlasu a kodeky

ipt2.jpg, 11 kB

VoIP pro převod hlasu na data využívá různých kodeků. Kodeky jsou uzpůsobeny pro přenos lidského hlasu (pásmo přibližně od 300Hz - 3,4KHz). Základní používaná metoda digitalizace je PCM, která potřebuje přenosovou rychlost 64 kbit/s. Jelikož je lidské ucho nedokonalé využívá se kodeků snižující kapacitu (analogie s MP3-nepřenášet "zbytečné informace", nemusí se přenášet ticho, apod.). Kodeků existují desítky a liší se poměrem kvality a vyžadovaného pásma pro přenos. V následující tabulce a grafu je porovnání některých kodeků.

Technika

Přenosová rychlost (Kbps)

Nároky na výpočetní kapacitu

Výsledná kvalita hlasu

Způsobené zpoždění

G.711 PCM

64 (bez komprese)

žádné

vynikající

N/A

G.723 MP-MLQ

6.4/5.3

střední

Dobrá (6.4)
Slabá (5.3)

vysoké

G.726 ADPCM

40/32/24

nízké

dobrá (40)
slabá (24)

velmi malé

G.728 LD-CELP

16

velmi vysoké

dobrá

nízké

G.729 CS-ACELP

8

vysoké

dobrá

nízké

p0100004.gif, 9 kB


Některé komplikace použití VoIP:

Má-li komunikační síť poskytovat nové druhy služeb, musí umožňovat poskytování těchto služeb v požadované kvalitě. Zde se zavádí pojem kvalita služeb (Quality of Service, QoS). Koncept QoS je ve skutečnosti značně široký a může zahrnovat velmi mnoho různých oblastí, parametrů a veličin, kterých se může týkat. V současnosti lze provozovat v sítích s protokolem IP hlasovou komunikaci v požadované kvalitě díky třem faktorům :

Architektura a protokoly

Architektury sítí VoIP

Centralizovaná architektura

Distribuovaná architektura

Protokoly využívané ve VoIP

VoIP využívá dva druhy protokolů:

Protokol H.323

Komponenty definované protokolem

H.323 má 4 základní komponenty:

Terminál je základní a jedinou povinnou komponentou H.323 sítě. Používá se pro obousměrnou komunikaci v reálném čase. Může to být PC nebo specializované zařízení, na kterém běží H.323 stack. Závazně musí podporovat audio služby, video a data jsou volitelné. Je schopen komunikovat s jinými multimediálními terminály v jiných sítích.

Gateway - GW (brána) zabezpečuje spojení H.323 sítě s jinou sítí (např. ISDN), slouží jako překladač protokolů mezi různými sítěmi. Je volitelnou komponentou.

Gatekeeper - GK (správce zóny) - Tuto komponentu si můžete představit jako mozek sítě. Ačkoli je to volitelná komponenta, má na starosti velice důležité služby jako autorizaci, autentifikaci, překlad telefonních čísel na IP adresy, účtování služeb, směrování hovorů apod. Jedná se vlastně o analogii inteligentní ústředny.
Správci zóny v sítích nejsou nutní, ale pokud jsou použiti, koncové body musí používat jejich služby. Nejčastěji je GK realizován softwarem. GK může být integrován do kterékoli komponenty H.323.

Povinné služby definované doporučením H.323 :

Nepovinné služby definované doporučením H.323 :

Multipoint Control Unit - MCU (jednotka pro řízení konferenčního spojení) zajišťuje komunikaci tří a více terminálů (konferenční hovory). Umožňuje převádět decentralizované konferenční spojení (data jsou určena skupině stanic) na spojení centralizované (data jsou určena právě jedné cílové stanici) a obráceně

Jednotka MCU se skládá z modulů MP a MC :

mcu.jpg, 15 kB

Doplnění: H.323 síť může obsahovat libovolné množství terminálů, MCU a brán, vždy však pouze jednoho gatekeepera. Mluvíme pak o H.323 zóně. Rovněž je potřeba zdůraznit, že toto dělení je pouze logické. Jednotlivé komponenty pak mohou být a často také bývají integrovány do jednoho produktu. Například funkce MCU může být integrována přímo v terminálu nebo v gateway.

Propojení komponent

h323components.jpg, 41 kB

Struktura protokolu

h323.jpg, 44 kB


Protokol H.323 v sobě zahrnuje (viz obrázek):

Příklady průběhu spojení

h323signaling.jpg, 46 kB

h323call.jpg, 55 kB

h323prubeh.jpg, 104 kB

Protokol SIP

SIP (Session Initiation Protocol) je signalizačním protokolem pro sestavení, dohled a rozpad spojení mezi dvěma a více účastníky komunikace. Na rozdíl od protokolu dle standardu H.323 je SIP textově orientovaný, svojí strukturou podobný protokolu HTTP, používanému službou WWW. Protokol SIP nespecifikuje jaký má být použit transportní protokol a není svázán s žádnými konkrétními komunikačními protokoly pro vlastní přenos multimediálních dat. Uvnitř signalizační zprávy protokolu SIP je proto zapouzdřena zpráva jiného protokolu, který specifikuje použitá kódování pro multimediální data, jejich parametry a čísla portů, na kterých mají být data vysílána nebo přijímána. Obvykle se pro tento účel používá protokol SDP (Session Description Protocol).

Komponenty

Podobně jako H.323 i SIP definuje architekturu v rámci které funguje a která sestává z následujících komponent:

User Agent
User agents (UA) jsou koncovými zařízeními SIP sítě. Starají se o navazování spojení s ostatními UA. Nejčastěji se jedná o SIP telefony (ať už fyzické nebo ve formě aplikací běžících na PC) a brány do jiných sítí, typicky do PSTN. V rámci UA rozlišujeme ještě User Agent Client (UAC), což je část UA která má na starosti iniciaci spojení a User Agent Server (UAS), která reaguje na příchozí žádosti a posílá odpovědi. V koncovém zařízení (SIP telefonu) je implementován jak UAC, tak i UAS.

Servery
Servery jsou v SIP architektuře zařízení, jejichž úkolem je zprostředkovat kontakt mezi volajícími a volanými (tedy mezi UA), což ale nevylučuje přímý kontakt koncových zařízení bez účasti serverů. Rozlišujeme tyto tři typy SIP serverů:

1.Proxy server.
Tento server přijme žádost o spojení od UA nebo od jiného proxy serveru a předá ji dalšímu proxy serveru (pokud volanou stanici nemá ve své správě) nebo přímo volanému UA pokud je tento v rámci jím spravované domény.

2.Redirect server.
Stejně jako proxy přijímá žádosti o spojení od UA nebo proxy serverů, ale nepřeposílá je dále ve směru volaného, nýbrž posílá tázajícímu informaci, komu má žádost poslat, aby se dostala k volanému. Je pak na dotazujícím se, aby žádost na takto získanou lokalitu (další proxy/redirect server nebo volaný UA) poslal.

3. Registrar server.
Registrar server přijímá registrační žádosti od UA a aktualizuje podle nich databázi koncových zařízení (location service), které jsou v rámci domény spravovány.

Jakkoliv jsou tyto servery definovány odděleně, v praxi se často jedná o jednu aplikaci, která přijímá registrace koncových uzlů a podle konfigurace se chová zároveň buď jako proxy nebo redirect server (určitá analogie s gatekeeperem z H.323).

siparchitecture.jpg, 64 kB

Komunikace komponent a identifikace

Metody a odpovědi

O komunikaci mezi komponenty SIP architektury jsem se zatím zmínil pouze v obecné rovině. Agenti a servery si posílají požadavky pomocí takzvaných metod. Jedná se o zprávy v textovém formátu a šesti základními metodami jsou

Další metody jsou předmětem samostatných RFC nebo draftů.

Odpovědi na SIP metody jsou zprávy uvedené číselným kódem. Systém kódů je převzat z HTTP protokolu. Např. SIPovská odpověď "404 Not Found" je velmi podobná té, které se objeví na web prohlížeči při přístupu na neexistující stránku. Číselné kódy odpovědí jsou členěny do šesti skupin:

sipsignaling.jpg, 58 kB

sipprubeh.jpg, 38 kB

Identifikace volaného v síti SIP

Zatímco v běžné telefonní síti jsme zvyklí identifikovat jednotlivé účastníky pomocí telefonního čísla (E.164) , v rámci SIP se používá Uniform Resource Identifier (URI) resp. Universal Resource Locator (URL), což je další ukázka toho, jak SIP využívá již existující standardy. Zde jsou to standardy pro popis zdrojů vyskytujících se v Internetu.

Tímto způsobem jsou identifikováni samozřejmě nejen koncoví účastníci ale i hlasové záznamníky, brány do jiných sítí, skupina účastníků, atd.

Telefonovat můžeme např. na takovéto adresy:

Ukázka zprávy SIP se zapouzdřeným SDP 

INVITE sip:ty@tam.cz SIP/2.0
Via: SIP/2.0/UDP 195.113.147.120:1912
Date: Tue, 17 Apr 2001 10:56:34 GMT
From: <sip:ja@tady.>
To: <sip:ty@tam.cz>
Subject: Hovor 1
Priority: normal
Expires: 3600
CSeq: 1691095645 INVITE
Call-ID: 884664559@195.113.147.210
Contact: <sip:ja@195.113.147.120:5060>
Content-Type: application/sdp
Content-Length: 143
v=0
o=ja 987504994 987504994 IN IP4 195.113.147.120
s=Hovor 1
c=IN IP4 195.113.147.120
t=3196493794 3196497394
m=audio 10000 RTP/AVP 0

Poznámka k protokolu SDP

Protokol SDP slouží k specifikaci kódování a dalších parametrů přenosu multimediálních dat během komunikace. Zpráva protokolu SDP je obsažena v těle zprávy protokolu SIP a sestává z posloupnosti řádků ve tvaru typ=hodnota. Typ je vždy zapsán jen jedním písmenem a říká, jaký parametr komunikace je popisován. Nejprve jsou vždy uvedeny řádky týkající se celého spojení nebo všech toků přenášených dat. Potom následují řádky popisující jednotlivé toky dat. Nejvýznamnější typy a jejich význam jsou následující:

Porovnání protokolů H.323 a SIP

Zařízení pracující s protokolem SIP mohou komunikovat se zařízeními pracujícími s protokolem H.323 pomocí brány SIP/H.323. Tato brána převádí signalizační zprávy obou protokolů. Protože pro vlastní přenos multimediálních dat používají zařízení typu H.323 i SIP obvykle protokol RTP, mohou po navázání spojení prostřednictvím brány dále komunikovat přímo. Obdobně mohou zařízení pracující s protokolem SIP komunikovat s telefony v telefonní síti (PSTN - Public Switched Telephone Network) pomocí brány SIP/PSTN. Porovnání signalizace pro sestavení spojení mezi H.323 terminálem a SIP terminálem prostřednictvím brány H.323/SIP ukazuje následující obrázek.

h323sip.jpg, 40 kB

Následující tabulka porovnává parametry výše zmíněných signalizačních postupů.

 

H.323

SIP

Standard, protokol

Uzavřený, složitý

Otevřený, jednoduchý

Organizace

ITU-T

IETF

Adresace

Vytvořený pro LAN - zaměřený na lokální provoz

Řešení adresace pro mezinárodní provoz

Typ zpráv

Binární, založené na ASN.1

Textová typ žádost - odpověď

Používané protokoly

H.245, H.225 (Q.931, RAS)

SDP

Používané servery

Správce zóny (Gatekeeper)

Registrační server (Registrar Server)Zástupný server (Proxy Server)Přesměrovací server (Redirect Server)Server umístění (Location Server)

Transportní protokol

RTP s řídícím protokolem RTCP

RTP s řídícím protokolem RTCP

Zabezpečení

Nese odpovědnost za spolehlivost přenosu - zbytečná režie

Přenechává zabezpečení přenosu paketů nižším přenosovým vrstvám

Rozšíření protokolu

Rozšíření jsou závislá na specifikaci výrobce - nestandardní rozšíření

Povoluje rozšíření základu protokolu pro speciální funkce


 

Protokol RTP a RTPC

RTP (Real Time Protocol) je protokol sloužící pro přenos dat v reálném čase. Obvykle se používá pro přenos audio a video provozu mezi koncovými procesy VoIP terminálů. Protokol sám o sobě nezaručuje přenos dat v reálném čase, disponuje jen procedurami, které umožňují rekonstrukci těchto vlastností na straně přijímacího procesu.

V záhlaví protokolu jsou přenášeny informace o typu přenášených dat, způsobu kódování, zdroji synchronizace, jakož i sekvenční číslo paketu a časová značka pro obnovu synchronizace a real-time vlastností. Přijímací proces prostřednictvím sekvenčních čísel paketů zabezpečuje interpretaci dat z paketů RTP ve správném pořadí. Podle definovaného prostředku synchronizace umožní časová značka v každém paketu načtení dat z paketů v odpovídajících časových intervalech.

RTCP (Real Time Control Protocol)

RTCP je řídící protokol spolupracující s protokolem RTP, používající periodické vysílání paketů od každého účastníka relace RTP všem ostatním účastníkům za účelem řízení výkonnosti a pro diagnostické účely. RTCP vykonává následující služby :

Hardware

Hlasová brána

Hlasová brána VoGW (Voice Gateway) je klíčovou částí služeb IP telefonie, neboť umožňuje spojení mezi telefonní a paketovou sítí, to znamená, že provádí všechen nezbytně nutný fyzický překlad a hlasovou kompresi a tím dovoluje volání mezi těmito dvěma prostředími. Hlasová brána poskytuje tyto následující funkce :

Hlasová brána může být realizována na PC formou karet s příslušným rozhraním a SW aplikací nebo formou směrovače doplněného o hlasové moduly.

vogw.gif, 3 kB

Call Manager

Call Manager (správce volání) udržuje a spravuje konfigurace a je schopen směrovat hovory v rámci telefonní sítě. Call Manager má návaznost na celopodnikovou adresářovou strukturu a umožňuje tak zadávat a udržovat informace o uživateli na jednom místě. Call manager může být pouze software jako je například systém SIPPSTAR, běžící na serveru nebo specializovaný kus hardwaru. Prostřednictvím Call Managerů je zajištěna poměrně zajímavá škálovatelnost řešení. Zatímco v případě klasické ústředny je nutná výměna šasi za větší když to stávající firma „přeroste“, v případě IP telefonie se přidávají jednotky pouze uživatelské licence nebo Call Manager.

calmgr.jpg, 7 kB

IP telefony

IP telefony jsou koncová zařízení pro uživatele. Plní dvě funkce:

IP telefony nemusí být jen ve formě zařízení, ale mohou být také ve formě softwarových aplikací (hardphone - softphone)

phone1.jpg, 7 kBphone2.jpg, 2 kBphone3.jpg, 4 kB

Implementace v distribuovaném prostředí

V rámci distribuovaného prostředí WAN lze v závislosti na množství uživatelů na jednotlivých lokalitách volit model založený na:

Každá lokalita se může skládat z většiny prvků uvedených v následujícím obrázku:

impl.jpg, 7 kB

Call Manager je jednou z nejdražších komponent v celém systému. Jeho použití v každé lokalitě distribuovaného modelu je samozřejmě poměrně neefektivní. Na druhou stranu v případě toho, že IP telefony nemají Call Manager dostupný, je ohrožena možnost telefonovat. Z tohoto důvodu bývají vzdálené firemní pobočky vybaveny vlastními Call managery.