,,ANSATZ F ¨

UR EINE MIGRATION ZU VOICE OVER IP"

UNTER BER ¨

UCKSICHTIGUNG DER

CISCO SYSTEMS AVVID - L ¨

OSUNG

von

CHRIS JUNG

Diplomarbeit

zur Erlangung des akademischen Grades

Diplom-Informatiker (FH)

vorgelegt am Fachbereich Informatik der

Fachhochschule Schmalkalden

Angefertigt in Zusammenarbeit mit dem

Informations- und Kommunikationszentrum

der Fachhochschule Schmalkalden am Fachbereich Informatik

---

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

vi

Tabellenverzeichnis

vii

1

Einleitung

1

1.1

Problemstellung .

1

2

Grundlagen digitaler Sprachkommunikation

3

2.1

Sprachdigitalisierung .

3

2.1.1

Signalform-Codierverfahren .

4

2.1.1.1

PCM - Pulsecodemodulation .

5

2.1.1.2

Differenz-Pulsecodemodulation - DPCM .

6

2.1.1.3

Adaptive Pulscodemodulation - APCM .

7

2.1.1.4

Adaptive Differenz-Pulscodemodulation - ADPCM .

8

2.1.2

Transformationscodierverfahren .

8

2.1.3

Vocoder-Verfahren .

9

2.1.4

Hybridcodierverfahren .

9

2.2

Standards der Sprachcodierung .

10

2.2.1

Bewertung der Sprachcodecs .

10

2.3

Sprachdetektion .

11

3

Voice over IP

13

3.1

Definition .

13

3.2

VoIP-Komponenten .

13

3.2.1

Endgeräte/Terminals .

13

3.2.2

Gateway (GW) .

15

i

---

ii

INHALTSVERZEICHNIS

3.2.3

Gatekeeper (GK) .

16

3.2.4

Multipoint Control Unit MCU .

17

3.2.5

Media Gateway Controller - MGC .

18

3.3

Protokolle und Standards .

18

3.3.1

H.323 .

18

3.3.1.1

H.323-Protokollsuite

.

20

3.3.1.2

RAS-Signalisierung (H.225.0)

.

20

3.3.1.3

Anruf-Kontroll-Signalisierung (H.225.0) .

23

3.3.1.4

Medien-Kontrolle H.245

.

25

3.3.1.5

Medien-Transport RTP/RTCP .

26

3.3.1.6

H.323-Anrufflüsse .

26

3.3.2

SIP .

27

3.3.2.1

SIP-Komponenten .

28

3.3.2.2

Adressierung .

29

3.3.2.3

SIP-Meldungen .

29

3.3.2.4

Arbeitsweise .

30

3.3.3

Gateway-Kontroll-Protokolle .

30

3.4

Sprachqualität und QoS .

31

3.4.1

Definition Sprachqualität .

31

3.4.1.1

Klangreinheit

.

31

3.4.1.2

Ende-zu-Ende-Verzögerung .

32

3.4.1.3

Echo .

33

3.4.2

Messen der Sprachqualität .

33

3.4.3

Quality of Service

.

34

3.5

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung .

36

3.6

Vorteile/Nachteile VoIP .

36

4

Migrationskonzept für die Fachhochschule Schmalkalden

39

4.1

Analyse .

39

4.1.1

Ziele und Rahmenbedingungen der Migration .

40

4.1.2

Betrachtung der einzusetzenden AVVID-Architektur .

40

4.1.2.1

AVVID .

40

4.1.2.2

Allgemeine Designmodelle .

42

---

INHALTSVERZEICHNIS

iii

4.1.2.2.1

Modell mit einem einzigen Standort .

43

4.1.2.2.2

Mehrere Standorte mit unabhängiger Anrufverarbeitung . . .

43

4.1.2.2.3

Multisite-IP-WAN mit verteilter Anrufverarbeitung .

44

4.1.2.2.4

Multisite-IP-WAN mit zentraler Anrufverarbeitung .

45

4.1.2.3

Allgemeine Migrationsmodelle .

46

4.1.2.4

Anforderungen für ein Converged Network .

48

4.1.3

Analyse der bestehenden Infrastrukturen (Gegebenheiten) .

49

4.1.3.1

Allgemeine Organisationsstruktur .

49

4.1.3.2

Bestehendes Datennetz .

50

4.1.3.2.1

Passiv-Strukturen (Verkabelung) .

50

4.1.3.2.2

Aktiv-Komponenten .

51

4.1.3.2.3

Auslastung des Datennetzes .

54

4.1.3.2.4

Routing .

56

4.1.3.2.5

IP-Adressen .

56

4.1.3.3

Bestehendes Telefonnetz

.

57

4.1.3.3.1

Netzstruktur .

57

4.1.3.3.2

Hardware .

57

4.1.3.3.3

Leistungsmerkmale .

58

4.1.3.3.4

Nummernplan .

59

4.1.3.3.5

Quantitative Betrachtungen .

60

4.1.4

Auswertung der Analyse .

61

4.2

Design .

63

4.2.1

Wahl des Designmodells .

63

4.2.2

Netzwerkinfrastruktur .

63

4.2.3

Endgeräte .

67

4.2.4

Inline Power .

67

4.2.5

Adressierung .

69

4.2.6

QoS .

70

4.2.7

Cisco CallManager Cluster .

74

4.2.8

Gateways .

75

4.2.9

Wählplan .

77

4.2.10 VoIP-Billing

.

78

---

iv

INHALTSVERZEICHNIS

4.2.11 Voice Messaging .

78

4.2.12 Netzwerkmanagement .

79

4.2.13 Pilotphase .

80

4.2.14 Integration in bestehende TK-Strukturen .

81

4.2.15 Sukzessive Erweiterungen .

81

4.2.16 Ersetzen der TK-Strukturen .

82

4.3

Implementierung .

83

4.3.1

Ziel der Implementierung

.

83

4.3.2

Vorgehensweise .

83

4.3.3

Probleme und Lösungen .

84

4.3.4

Ergebnis, Bewertung .

84

5

Zusammenfassung

85

A Grundlagen digitaler Sprachkommunikation

87

A.1 PCM .

88

A.2 Standards der Sprachcodierung .

91

A.3 Sprachdetektion .

92

B Voice over IP

93

B.1 VoIP-Komponenten .

94

B.2 Standards und Protokolle .

96

C Migrationskonzept für die Fachhochschule Schmalkalden

101

C.1 AVVID 102

C.1.1

Leistungsmerkmale des CallManagers 102

Literaturverzeichnis

112

Glossar

113

Index

127

---

Abbildungsverzeichnis

2.1

Methoden der Bitratenreduktion .

4

2.2

Prinzip der PCM

.

5

2.3

Prinzip der DPCM

.

6

2.4

Prinzip der APCM

.

7

2.5

Prinzip der ADPCM

.

8

2.6

Prinzip des Analysators beim CELP-Verfahren

.

9

3.1

Elemente der H.323-Empfehlung .

14

3.2

Terminal entsprechend H.323 .

15

3.3

Gateway entsprechend H.323 .

16

3.4

H.323-Zone .

16

3.5

Mögliche Positionen des MC und des MP im H.323-System

.

17

3.6

H.323-Protokollstack .

20

3.7

Gatekeeper Auto Discovery .

21

3.8

Endpunkt-Registrierung beim Gatekeeper .

22

3.9

Anrufsignalisierung im H.323-Netzwerk .

24

3.10 H.323-Anruffluss zur Einrichtung eines Anrufes .

27

3.11 Prinzipielle SIP-Architektur

.

28

3.12 Typischer SIP-Protokollstack des User Agent .

29

3.13 Sprachqualität .

32

4.1

Allgemeines AVVID-Modell .

41

4.2

Integration der AVVID-Architektur in bestehende TK-Strukturen .

42

4.3

Allgemeines Cisco IP-Telefonie Design-Modell .

43

4.4

Multisite-IP-WAN mit verteilter Anrufverarbeitung .

44

4.5

Multisite-IP-WAN mit zentraler Anrufverarbeitung .

45

v

---

vi

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

4.6

Migration .

46

4.7

Allgemeine Migrationsmodelle .

47

4.8

Campusübersicht der FHS .

50

4.9

Primäre LWL-Linkstruktur des FHS-Campus .

52

4.10 Datennetzwerk Infrastruktur Switching .

53

4.11 CPU-Auslastung der Switching-Elemente .

55

4.12 Link-Auslastung Backboneswitch B-A .

55

4.13 Link-Auslastung Backboneswitches B-F .

56

4.14 Link-Auslastung Backboneswitches B-H .

56

4.15 Routing-Strukturen .

57

4.16 Passivstruktur des Telefonnetzes .

58

4.17 Anzahl der Teilnehmer des Telefonnetzes .

60

4.18 Designmodell für die FHS .

64

4.19 Zu ersetzende Switching-Elemente .

65

4.20 Aufzurüstende Switch-Module .

66

4.21 Einzurichtende Queues auf den VoIP-Access-Switches .

71

4.22 Design CCM-Cluster .

75

4.23 VoIP-Gateways .

76

4.24 Gatewaymodule für den Catalyst 6000 .

76

4.25 Voice-Messaging System .

78

A.1 A-Law Kennlinie .

89

A.2

µ

-Law Kennlinie

.

90

A.3 Unterdrückung von Störungen durch den Sprachdetektor .

92

B.1 Hardwarestruktur eines IP-Telefons

.

94

B.2 Hardwarestruktur eines IP-Telefonie-Gateways .

95

B.3 Funktionsweise des SIP-Redirect-Modus .

97

B.4 Funktionsweise des SIP-Proxy-Modus .

99

---

Tabellenverzeichnis

3.1

Standards und Protokolle der H.323-Empfehlung .

19

A.1 PCM-Codierung .

88

A.2 Standards der Sprachcodierung .

91

vii

---

Kapitel 1

Einleitung

Die Entwicklungen der letzten Jahre zeigen, dass die lange bestehende feste Aufteilung auf dem Gebiet

der Telekommunikationsbranche schon bald so nicht mehr existieren wird. Netzwerkhersteller erhoffen

sich neue Marktanteile auf dem jungen VoIP-Markt und arbeiten energisch an Lösungen zum Thema. So

ermöglichen technische Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der Sprachcodierung und deren Anwen-

dung auf Hardwarebasis von DSPs revolutionäre Veränderungen in der Sprachübertragung. Weiterent-

wicklungen in der Netzwerktechnik, wie das Switching, QoS -Mechanismen auf Schicht 2 und 3 sowie

das ständige Anwachsen der Übertragungsraten tragen ihren Teil zur Veränderung in der Telekommu-

nikationstechnik bei. Da die IP -Telefonie als eine der Schlüsseltechnologien der Sprachkommunikation

gilt, scheint die Auseinandersetzung mit diesem Thema unumgänglich.

1.1

Problemstellung

,,Ansatz für eine Migration zu Voice over IP unter Berücksichtigung der Cisco AVVID-Lösung."

Für die Fachhochschule Schmalkalden ist ein Ansatz für eine Migration zu Voice over IP unter Berück-

sichtigung der Cisco AVVID -Lösung zu entwickeln. AVVID - Architecture for Voice Video and Integra-

ted Data, eine Initiative der Firma Cisco zur Realisierung von Converged Networks in Unternehmen, soll

die Grundlage für das zu entwickelnde Migrationskonzept bilden. Migration wird hier als Übergang von

einem System auf ein anderes verstanden. Das zu entwickelnde Migrationskonzept ist als Anleitung zur

Implementierung eines VoIP-Systems an der Fachhochschule Schmalkalden anzusehen und zielt auf das

Ersetzen der bestehenden Sprachkommunikationsstrukturen. Das bestehende Datennetz wird hierzu in

der Planung in ein Converged Network überführt. Die Betrachtungen sind dabei eng auf netzwerktechni-

sche Aspekte begrenzt. Für die Entwicklung des Migrationsmodells wird die Cisco AVVID-Architektur

herangezogen und generelle Vorschläge zum Netzwerkdesign berücksichtigt. Von Erläuterungen zu all-

gemeinen Migrationsmodellen wird abgesehen, da sie für das für die FHS zu entwickelnde Modell keine

Aussagekraft besitzen. Hierbei beschränkt sich die Arbeit auf die Betrachtung der Modelle der Cisco AV-

VID-Architektur, da mit der Vorgabe des Herstellers Cisco nur die Cisco-spezifischen Modelle relevant

sind.

1

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2

KAPITEL 1. EINLEITUNG

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