Erstellung eines Konzepts zur Analyse der Sprachqualität in Next Generation Networks

Inhaltsverzeichnis

Danksagung

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Einführung
1.2 Motivation und Zielsetzung

2 Grundlagen
2.1 Netztechnologien für Sprachdienste
2.1.1 Klassische Telefonnetze
2.1.2 Netze der nächsten Generation - Next Generation Network
2.2 Protokolle
2.2.1 ATM (Asynchronous Transfer Mode)
2.2.2 SDH (Synchrone Digitale Hierarchie)
2.2.3 IPv4 (Internet Protocol Version 4)
2.2.4 IPv6 (Internet Protocol Version 6)
2.2.5 TCP (Transmission Control Protocol)
2.2.6 UDP (User Datagram Protocol)
2.2.7 RTP (Real Time Transport Protocol)
2.2.8 RTCP (Real-time control Protocol)
2.2.9 SIP (Session Initiation Protocol)
2.3 Sprachkodierung
2.3.1 PCM (Puls-Code-Modulation)
2.3.2 DPCM (Differenz-Puls-Code-Modulation)
2.3.3 LD-CELP (Low-Delay Code-Excited Linear-Predictive)
2.3.4 CS-ACELP (Conjugate Structure Algebraic Code-Excited Linear- Predictive)
2.4 Sprachqualität
2.5 Störfaktoren
2.5.1 Echo
2.5.2 Delay
2.5.3 Jitter
2.5.4 Packet loss
2.6 Messmodelle
2.6.1 MOS (Mean Opinion Score)
2.6.2 PESQ (Perceptual Evaluation of Speech Quality)
2.6.3 E-Modell
2.6.4 R-Faktor

3 Konzept
3.1 Auswahl des Messverfahren
3.2 Evaluierung der Mess-Lösungen
3.2.1 VQmon
3.2.2 Zumara
3.2.3 Opera
3.2.4 Trafficlyser TraceSim VoIP
3.2.5 Alternative
3.2.6 Beurteilung

4 Systemkonzeptionierung
4.1 Technische Voraussetzung
4.2 Testumgebung
4.2.1 Messmethode
4.2.2 Messszenarien
4.2.3 Codecs
4.2.4 Auslastung
4.2.5 Messphasen

5 Fazit und Ausblick

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Phasen der analogen Sprachkommunikation

Abbildung 2: Aufbau einer Rufnummer

Abbildung 3: OSI Modell und Protokollzuordnung

Abbildung 4: ATM - Virtuelle Verbindung

Abbildung 5: IPv4 Header

Abbildung 6: IPv6 Header

Abbildung 7: TCP Header

Abbildung 8: UDP Header

Abbildung 9: RTP-Header

Abbildung 10: RTCP-Nachricht

Abbildung 11: Aufbau einer SIP-Nachricht am Beispiel einer INVITE-Anfrage

Abbildung 12: Kommunikation zweier SIP-Clients

Abbildung 13: PCM-Funktionsprinzip

Abbildung 14: Grafische Darstellung für die Akzeptanz der Gesprächsqualität

Abbildung 15: Struktur des PESQ-Algorithmus

Abbildung 16: Verbindungsdarstellung des E-Modells

Abbildung 17: Verbindung zwischen Köln und Essen

Abbildung 18: Verbindung zwischen Köln und Berlin

Abbildung 19: RTCP-Verbindung

Abbildung 20: Delay- und Jitter-Berechnung über die RTPC-Nachrichten

Abbildung 21: Netzübersicht Softswitch QSC AG

Abbildung 22: Aktive Methode - mobiler Client

Abbildung 23: Passive Methode - Auswahl der Route

Abbildung 24: Netzwerkumgebung - Grobdarstellung

Abbildung 25: Messphasen - sukzessive Messungen

Abbildung 26: Messphasen - nach Auslastung

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: STM-Datenraten 10

Tabelle 2: Vergleich R-Faktor und MOS

Tabelle 3: Parameter und Standardwerte des E-Modells

Tabelle 4: Technische Anforderungen von TraceSim VoIP

Tabelle 5: Codier-Verfahren QSC AG vs. IT-Wissen.info

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Danksagung

Ich möchte mich an dieser Stelle bei all denen bedanken, die mich bei der Erstellung dieser Arbeit in jeglicher Form unterstützt haben.

Mein herzlicher Dank gilt Herrn Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Dipl.-Inform. Jürgen R. Dietrich für die tatkräftige Betreuung der Diplomarbeit.

Weiter möchte ich mich bei Christian Jäger und Kawrit Chanana bedanken, die sich unermüdlich Zeit genommen und mir bei der Korrektur geholfen haben.

Insbesondere danke ich herzlich meinen Eltern und meiner Familie, die mich während meiner ganzen Studienzeit unterstützt und alle Entscheidungen mitgetragen haben.

Ferner danke ich meinen Neffen Akarschit Mehra, der mich stets moralisch unterstützt hat.

Nicht zuletzt möchte ich Nils Feige von der QSC AG danken, der mich kooperativ bei der Diplomarbeit unterstützt und eine angenehme Arbeitsatmosphäre geboten hat.

1 Einleitung

Sprache gehört wohlmöglich zu den ältesten Kommunikationsmitteln, daher ist es für Telekommunikationsunternehmen umso wichtiger dieses Gut auch in der heutigen Zeit in ausreichender Qualität zu gewährleisten.

Das analoge und digitale ISDN Telefonnetz ist für Sprachübertragungen das stabilste und modernste Netz, doch es ist sehr unflexibel und schmalbandig. Für neue Dienste mussten daher Netze um- als auch aufgebaut werden, unter anderem auch DSL.

1.1 Einführung

Die Netzbetreiber wollen ein flexibleres und kostengünstigeres Netz aufbauen, bei dem auch neue Dienste einfacher zu integrieren sind. Aus diesen Anforderungen ist das Netz der nächsten Generation das sogenannte Next Generation Network (NGN) entstanden, bei der möglichst einheitliche Übertragungsverfahren - im Idealfall nur IP - verwendet werden. Aufgrund des Wegfalls von Insellösungen wird so auch die Administration vereinfacht.

Die Qualität der alten Telefontechnik jedoch kann, trotz qualitätssichernder Maßnahmen, im NGN kaum erreicht werden, so dass Echo, Verzögerung und andere Effekte die Gesprächsqualität negativ beeinflussen können.

1.2 Motivation und Zielsetzung

Next Generation Networks drängen immer stärker die alten SDH-Telefonnetze vom Markt. Die meisten Netzbetreiber sind bereits bei der Umstellung ihrer Netze, andere wiederum haben schon erfolgreich ihr Netz umgestellt.

Doch auch nach der Umstellung der Telefonnetze ist es wichtig, dem Kunden die bereits gewohnte Gesprächsqualität weiterhin anzubieten. Aus dem Grund ist es für Betreiber von Kommunikationsnetzen entscheidend, ihre angebotene Dienstgüte regelmäßig zu prüfen und bei Problemen entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Altbekannte Messmethoden können jedoch aufgrund neuer Übertragungsverfahren nicht mehr bei NGNs angewendet werden, daher müssen hier neue Verfahren zur Überwachung und Messung implementiert werden.

Ziel dieser Diplomarbeit ist es, ein Konzept zu erstellen - unabhängig von Monito- ring Systemen, die gewisse Fehler oder Ausfälle von Geräten melden - mit dessen Hilfe eine Auswertung bzw. Aussage über die Gesprächsqualität im NGN möglich ist. Im Besonderen soll das Konzept für die QSC AG zur Auswertung der Sprachqua- lität dienen, so dass hier Engpässe erkannt werden können um eine Netzoptimierung durchzuführen.

2 Grundlagen

Seit Erfindung des Telefons von dem Physiker Johann Philip Reis im Jahr 1861 entwickelte sich das Telefon schnell zum wichtigsten Kommunikationsmittel. Fortan wurden weltweit riesige Telefonnetze aufgebaut, die miteinander verbunden wurden, um die Kommunikation auch interkontinental zu gewährleisten. Zwar wurden mit der Zeit auch diverse Zusatzfunktionen erweitert, die Kernfunktion des Telefons ist jedoch auch heute ein fester Bestandteil unserer Gesellschaft und wird selbst nach 150 Jahren noch immer als Mittel zur Massenkommunikation genutzt.¹

Doch im Laufe des Technologiezeitalters wurden neben der Festnetztelefonie auch weitere Kommunikationsmitteln entwickelt, die von den Netzbetreibern gern als „Dienste“ (engl. Services) bezeichnet werden. So gibt es neben Festnetztelefonie auch Mobilfunktelefonie, Fernsehen, Internet und Radio.

Traditionell wurde für jeden Dienst ein eigenes Netz aufgebaut und betrieben. Da jedes Netz nur für einen einzigen Dienst ausgelegt wurde, wurden solche Netze oft auch als dedizierte Netze (engl. dedicated networks) bezeichnet.

Die Telekommunikationsnetze jedoch durchlaufen seit einigen Jahren einem massiven Wandel und bewegen sich hin zu so genannten Next Generation Networks (NGN) bewegen.²

2.1 Netztechnologien für Sprachdienste

Das herkömmliche Telefonnetz, auch PSTN (engl. Public Switched Telephone Net- work) genannt, ist ein leitungsorientiertes bzw. leitungsvermitteltes Telekommunika- tionsnetz. Von paketorientierter Vermittlung hingegen spricht man bei Next Genera- tion Networks.

Der eigentliche Unterschied ist dahingehend auch schon recht eindeutig. Bei den klassischen Telefonnetzen wird jeder Anruf über eine eigene Leitung geführt und es handelt sich um ein homogenes Netz, bei der sowohl ein einheitliches Übertragungsverfahren, als auch einheitliche Technologie verwendet wird.

Im Next Generation Network hingegen treffen mehrere Dienste aufeinander, so werden Sprachnetze, Multimedianetze, Datennetze uvm. zusammen gelegt. Hierfür wird oft das IP Protokoll verwendet.

2.1.1 Klassische Telefonnetze

Vor Einführung der digitalen Datenübertragung gab es nur einen analogen Telefondienst, dies wurde auch als POTS (engl. „Plain Old Telephone Service“ = „einfacher alter Telefondienst“) bezeichnet. Das alte Telefonnetz war derart konzipiert, dass hierüber analoge Signale mit den Frequenzen bis zu 4000 Hz übertragen wurden. Aus dem Grund sprach man auch von einem analogen Sprachkanal mit der Bandbreite von 4kHz. Da die menschliche Sprache in dem Frequenzbereich von 300 Hz bis 3400 Hz dargestellt werden kann, wurden noch 600 Hz als Puffer genommen und explizit 4000 Hz für die Sprachübertragung genutzt.

Bei der analogen Sprachkommunikation gibt es mehrere Phasen, die in Abbildung 1 dargestellt sind. Das Telefonat wird hierbei durch eine Signalisierung aufgebaut bzw. wieder abgebaut, dies erfolgt durch das Abheben und Auflegen des Hörers. Das ei- gentliche Gespräch wird nach dem Verbindungsaufbau gestartet und durch den Ver- bindungsabbau beendet, dabei wird das Gespräch zwischen diesen Phasen geführt.³

Wie in Abbildung 1 dargestellt, wird die Verbindung über mehrere Instanzen vermit- telt. Das Telefonnetz ist hierarchisch aufgebaut, die Teilnehmervermittlungsstellen (TVSt), auch Ortsvermittlungsstellen genannt, stellen die Knoten der unteren Hierar- chiestufen und die Fernvermittlungsstellen (FVSt) die höheren Hierarchiestufen dar:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Phasen der analogen Sprachkommunikation

Quelle: Badach, Anatol: Voice over IP - Die Technik. 4. Auflage. Hanser, 2010, S. 4

Der hierarchische Aufbau des Telefonnetzes lässt sich gut anhand des Aufbaus einer Rufnummer erkennen, wie sie in der Abbildung 2 dargestellt ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Aufbau einer Rufnummer Quelle: Eigene Darstellung

Wie Abbildung 2 gut veranschaulicht, stellt die Länderkennzahl die höchste Hierarchiestufe, die Ortsnetzkennzahl hingegen die unteren Hierarchiestufe dar. Somit wird ein Anruf zuerst zum jeweiligen Land und anschließend zu dem Ort vermittelt, zu der die gewählte Rufnummer gehört.

Im Laufe der Zeit wurden weitere Anforderungen an das Telekommunikationsnetz gestellt. Man wollte weitere Dienste anbieten, für die eine digitale Übertragung und Verarbeitung von Signalen notwendig ist. Dies wurde in ganz Europa durch ISDN (Integrated Services Digital Network) ermöglicht. ISDN brachte viele Vorteile mit sich; unter anderem:⁴

- Bereitstellung mehrerer Rufnummern
- Gebrauch von zwei Nutzkanälen
- Zuordnung der Rufnummern zu bestimmten Endgeräten
- Höhere Datenübertragung
- u.a..

Wichtigster Vorteil von ISDN ist die höhere Bandbreite. Ein ISDN Basisanschluss (Standard-ISDN-Netzanschluss) stellt über zwei Datenkanäle mit jeweils 64 kbit/s Bandbreite zur Verfügung. Darüber hinaus gibt es den D-Kanal, über den die Signa- lisierung durchgeführt wird. Hierfür stehen 16 kbit/s an Datenbandbreite zur Verfü- gung.

Obwohl das ISDN Netz auf digitaler Vermittlungstechnik des Fernsprechnetzes basiert, können neben digitalen ISDN Basisanschlüssen auch analoge Fernsprechapparate an den ISDN Vermittlungsstellen angeschlossen werden.⁵

2.1.2 Netze der nächsten Generation - Next Generation Network

Aufgrund der rasanten Entwicklung neuer Technologien und des exponentiellen An- stieges von Datenmengen wurde den Netzbetreibern schnell klar, dass die bestehen- den dedizierten Telekommunikationsnetze den Anforderungen nicht mehr genügen.

Die Entwicklung sowie die Nutzung des Internets steigt rasant. Laut Financial Times Deutschland betrug im Oktober 2007 die Anzahl der Internet-Nutzer Weltweit rund 1,1 Mrd. und zu der Zeit wurden stündlich ca. ein ExtraByte (1 Trillion Byte) Daten gesendet. Und selbst der Vergleich des Internetverkehrs zum Telefonverkehr ist ver blüffend. So wurde schon im Jahr 2000 in den USA der Telefon- vom Internetverkehr übertroffen.

Die bestehenden Netze bieten nicht genügend Flexibilität um neue innovative Dienste schnell und mit geringem Aufwand realisieren zu können. Denn die Implementierung neuer Dienste bedürfen häufig ein vollständig neues Netz, welches aufgebaut und betrieben werden muss. All dies verursacht den Netzbetreibern enorme Kosten und das neben der bereits bestehenden Belastung, nämlich der hohen Betriebskosten, die durch bestehende Netze für unterschiedliche Dienste entstehen.⁶

Die o.g. Probleme wurden schnell von der ITU - International Telecommunication Union, eine Organisation die ursprünglich von der Vereinten Nationen gegründet wurde und sich weltweit mit Informations- und Kommunikationsaspekten beschäf- tigt⁷ - erkannt. Diesbezüglich hat die ITU eine Lösung für die zukünftigen Netze vorgestellt, das sich „Next Generation Network“ nennt und laut dem Autor Richard Sietmann wie folgt von der ITU-T (Die meisten Standards bzw. „Empfehlungen“ - englisch „recommendations“ - werden innerhalb der ITU von der ITUs Telecommu- nication Standardization Sector verabschiedet, die sich ITU-T nennt⁸ ) definiert wur- de⁹:

„Ein Next Generation Network (NGN) ist ein paketbasiertes Netz zur Bereitstellung von Telekommunikationsdiensten für Nutzer unter Verwendung vielfältiger breitbandiger, QoS-basierter (engl. „Quality of Service“ oder auch Dienstgüte genannt) Transporttechniken, in dem die dienstbezogenen Funktionen unabhängig von den darunterliegenden transportbezogenen Technologien sind. Es bietet den Nutzern den uneingeschränkten Zugang zu den Netzen, Diensteanbietern und Diensten ihrer Wahl. Es unterstützt die allgemeine Mobilität, indem es überall die einheitliche Bereitstellung von Diensten für Nutzer erlauben wird“

Häufig wird VoIP (Voice over IP) auch als synonym für NGN verwendet, doch VoIP bzw. Internet Telefonie ist nur ein Teil der im NGN möglichen Dienste.

Für das NGN stammt die Empfehlung von der ITU-T (ITU-T Recommendation Y.2001 - General overview of NGN) und enthält folgende fundamentale Aspekte für ein Next Generation Network¹⁰:

- Paketbasierende Übertragung
- Aufteilung der Steuerungsfunktionen bezüglich der Verbindungseigenschaften, Anruf/Session und Anwendung/Dienst
- Entkopplung von Transportdienstleistungen und Bereitstellung von offenen Schnittstellen
- Unterstützung einer breiten Palette von Diensten, Anwendungen und Mechanismen zur Zusammenstellung von Diensten
- Breitbandfähig mit Ende-zu-Ende QoS und Transparenz
- Einbeziehung von herkömmlichen Netzen (z.B. ISDN und analoge Telefonie) über offene Schnittstellen
- Allgemeine Mobilität
- uneingeschränkter Zugriff von Nutzern auf unterschiedlichen Dienstanbietern (Service Provider)
- Eine Vielzahl von Identifikationsschemata, die IP-Adressen - für das Routing in IP-Netzen - auflösen können
- Einheitliche Dienstmerkmale, die vom Nutzer als dieselben Dienste wahrgenommen werden.
- Konvergenz der Dienste im festen und mobilen Netzen
- Unabhängig der dienstbezogenen Funktionen von darunter liegenden Transporttechnologien
- Unterstützung von verschiedenen Technologien in der "letzten Meile" (Anschlussnetz)
- Berücksichtigung aller gesetzlichen Anforderungen, z.B. Notfall Kommunikation und Sicherheit/Datenschutz.

2.2 Protokolle

An NGNs werden große Anforderungen gestellt, denn sie müssen nicht nur weltweit vernetzte Strukturen, die von einer Vielzahl von Providern versorgt werden, verknüpfen, sondern auch mit unterschiedlichen Protokollen auskommen, unter anderem ATM, ISDN, IP, SDH, MPLS. Einiger dieser Protokolle sind in der Abbildung 3 in dem OSI Referenzmodell dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: OSI Modell und Protokollzuordnung

Quelle: Vgl. Siegmund, Gerd, Technik der Netze 2, Neue Ansätze: SIP in IMS und NGN. 6. Auflage. Hüthig Verlag, 2009, S. 70

2.2.1 ATM (Asynchronous Transfer Mode)

ATM (Asynchronous Transfer Mode) basiert auf einem verbindungsorientierten Paketvermittlungsverfahren. Hierbei werden Nutzdaten in Pakete, die als „Zellen“ bezeichnet werden, mit fester Länge übertragen.

Die ATM-Zellen bestehen aus einem Zellenkopf und einem Informationsfeld. In dem Zellenkopf werden die zu der jeweiligen Verbindung gehörenden Zellen gekenn- zeichnet. In dem Informationsfeld werden Nutz- und Informationsdaten übertragen.

Das ATM-Verfahren basiert auf einem Prinzip der „virtuellen Verbindung“. Die zu übertragende Informationen werden dabei über einen festgelegten Weg durch das Netz transportiert. Bei der Kennzeichnung wird zwischen dem virtuellen Kanal (engl. Virtual Channel) und dem virtuellen Pfad (engl. Virtual Path) unterschieden, wobei in einem virtuellen Pfad mehrere virtuelle Kanäle enthalten sind, wie in Ab- bildung 4 zu erkennen ist.¹¹

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: ATM - Virtuelle Verbindung Quelle: Eigene Darstellung

2.2.2 SDH (Synchrone Digitale Hierarchie)

SDH (Synchrone Digitale Hierarchie oder im engl. Synchronous Digital Hierarchy) wurde von der ITU-T in der G.707 Empfehlung standardisiert und überträgt wie auch das PDH-Protokoll (Plesiochrone Digitale Hierarchie) digitale Signale auf Basis des Zeitmultiplexverfahren (TDM - Time Division Multiplexing). Bei diesem Verfahren werden mehrere niederbitratige Zubringersignale zu einem höherbitratigen Aus- gangssignal zusammengefasst. Das Ausgangssignal ist dabei das Signal der nächst höheren Hierarchiestufe.

Aufgrund diverser Vorteile, wie beispielsweise höhere Datenraten, weltweit einheit- licher Standard und umfangreiche Mechanismen zur Überwachung der Signalüber tragung, konnte die SDH-Technik PDH weitestgehend ablösen. Im Unterschied zu PDH sind auch die Taktquellen aller SDH-Netzelemente mit dem zentralen Netztakt synchronisiert.

Generell wird bei SDH die Glasfaser als Übertragungsmedium genutzt um beispielsweise bei STM-246 (Synchronous Transport Modul) bis zu 483.840 64kbit/s Sprachkanäle, mit einer Datenrate von ca. 40 Mbit/s, gleichzeitig übertragen zu können. Vereinzelt werden jedoch auch für niederbitratige Übertragungen Koaxialkabeln verwendet. STM ist ein Signal, dass auf die Leitung gegeben wird. Hierbei gibt es verschiedene Hierarchieebenen des STM-N (Standardmäßig gilt für N = 1, 4, 16, 64, 256), die in Tabelle 1 dargestellt sind.¹²

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: STM-Datenraten

Quelle: Obermann, Kristof und Horneffer, Martin: Datennetztechnologien für Next Generation Networks: Ethernet, IP, MPLS und andere. 1. Auflage. Vieweg +Teubner Verlag, 2009, S.32

2.2.3 IPv4 (Internet Protocol Version 4)

Das Internet Protokoll (IP) wird oft als synonym für IP in der Version 4 (IPv4) ver- wendet und stellt die Basis für heutige Netze dar. In dem ISO OSI Modell ist IP in der Schicht 3 (Vermittlungsschicht) angeordnet, wie in Abbildung 3 dargestellt. Das Internet Protokoll ist mittlerweile das Standardprotokoll für paketorientierte Kom- munikation in Datennetzen und wird aus diesem Grund auch in NGNs verwendet.

IP ist eine universelle Technologie, die Daten von und an eine Vielzahl von Diensten überträgt. Unter anderem sind WWW, VoIP, Videotelefonie und Internet-TV (IPTV) zu nennen. Darüber hinaus können neue Dienste und Technologien auf IP-Basis schnell und flexibel entwickelt und bereitgestellt werden.

Ein weiterer Vorteil von IP besteht darin, dass es unabhängig von den darunterliegenden Sicherungs- und Bitübertragungsschichten arbeitet und somit für verschiedene Technologien wie ATM, PPP und Ethernet zum Einsatz kommen kann.

Jedoch bringt IP auch Nachteile mit sich: Es gibt keine Garantie für die erfolgreiche Zustellung der Pakete ans Ziel, die Reihenfolge der übertragenen Pakete kann abweichen und es gibt keine Möglichkeit die Paketlaufzeit zu garantieren.¹³

Das IPv4 Paket kann eine Länge zwischen 20 Byte - bestehend nur aus dem Header - bis hin zu 64 kByte (65.536 Byte) haben.

Der IP-Header ist wie in der Abbildung 5 dargestellt aufgebaut:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: IPv4 Header

Quelle: Obermann, Kristof und Horneffer, Martin: Datennetztechnologien für Next Generation Networks: Ethernet, IP, MPLS und andere. 1.Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, 2009, S.126

Die Felder haben die nachfolgende Bedeutung¹⁴:

Version:

Das Feld spezifiziert die Version des Protokolls.

IHL (IP-Header Lenght):

Gibt die Länge des IP-Headers in 32 Bit Schritten an.

TOS (Type of Service):

Mit TOS kann den IP-Paketen unterschiedliche Prioritäten vergeben werden.

Total Length:

Hier wird die gesamte Länge des IP-Pakets inklusive Header angegeben.

Identification:

Die Kennzeichnung von einzelnen Fragmenten, die zu einem IP-Paket gehören, wird in diesem Feld durchgeführt. Solch eine Fragmentierung dient zur Zerlegung des IPPakets in mehreren kleinen Paketen, damit die Pakete auf dem unteren Layer (Layer 2) übertragen werden können.

Flags:

Das Fragmentierungs-Flag ist entscheidend, um ein IP-Paket beispielsweise mit 5000 Byte mit einem klassischen Ethernet-Rahmen aus einer MTU (Maximum Transmis- sion Unit) Größe von 1500 Byte zu übertragen. Dabei wird das IP-Paket fragmen- tiert, um die Daten über das Ethernet (Sicherungsschicht) übertragen zu können.

In diesem Feld wird durch „MF“ (More Fragment) ein Flag gesetzt, um zu signalisieren, dass weitere Fragmente für dieses IP-Paket folgen werden. Der „DF“-Flag (Don`t Fragment) kennzeichnet hingegen, dass keine weiteren Fragmente mehr zu diesem IP-Paket folgen.

Fragment-Offset:

In diesem Feld wird der Abstand des Fragments zum Beginn des IP-Pakets in jeweils 8 Byte Einheiten gemessen.

TTL (Time-to-live):

Die Lebensdauer eines IP-Pakets wird in diesem Feld vermerkt. Dadurch wird der anfängliche TTL-Wert, der vom Absender vergeben wird, bei jedem Router- Durchlauf, welches auch als Hop bezeichnet wird, um den Wert Eins reduziert. So- bald das TTL-Feld den Wert null erreicht hat, wird das Paket verworfen und der Ab- sender gewarnt.

Protocol-ID:

Welches Transportprotokoll verwendet werden soll, wird in dem Protocol-Feld dar- gestellt.

Header-Checksum:

Dieses Feld beinhaltet eine Prüfsumme des IP-Headers, um Pakete mit fehlerhaften Headern zu erkennen und zu verwerfen.

Source-Address:

Die Absender-Adresse wird in diesem Feld gespeichert.

Destination-Address:

Dieses Feld beinhaltet die Empfänger-Adresse.

Options:

In dem Options-Feld können verschiedene Optionen vermerkt werden, wie beispielsweise „strict source routing“, um den kompletten Pfad des IP-Pakets zu bestimmen oder „loose source routing“, mit dem eine Liste von Routern vorgegeben wird, die auf der Route liegen müssen. Durch „record route“ wird die IP Adresse von jedem Router an das IP-Paket beigefügt und „time-stamp“ hingegen erweitert den „record-route“ Flag mit dem Zeitstempel, um nicht nur die IP-Adresse, sondern auch die Uhrzeit an dem IP-Paket anzuhängen. Anschließend gibt’s noch die „authentication header“ Option, um Informationen zur Datenintegrität und AbsenderAuthentifizierung des IP-Pakets für IPsec mit zu übertragen.

Padding:

Falls das Optionsfeld kein Vielfaches von 32 Bit beträgt, so wird dies mit Padding (0 Bits) aufgefüllt.

2.2.4 IPv6 (Internet Protocol Version 6)

Das größte Problem bei IPv4 wurde relativ schnell erkannt, denn die 32-bit-Adressen des Protokolls können zwar 4 Milliarden Geräte adressieren, jedoch wurden im Lau- fe der Zeit relativ große Adressräume nicht nur an Unternehmensnetze, sondern auch an Privatnetze vergeben, wodurch immer weniger Adressen zur Verfügung standen. Darüber hinaus wird es schon bald mehr als 4 Milliarden Geräte geben, die eine IPv4-Adresse benötigen, die aber aufgrund mangelnder Verfügbarkeit nicht vergeben werden können.

Angesichts dieser Problematik soll mit dem IPv6 (ca. 3,4 x 10³⁸ Adressen), das für die Adressierung 128 Bit verwendet, die aktuelle IP Version 4 abgelöst werden. Anders als bei IPv4 werden die IPv6 Adressen hexadezimal notiert. Die Zahl wird dabei in acht Blöcken zu jeweils 16 Bit unterteilt, die durch einen Doppelpunkt getrennt werden (z.B.: 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344).¹⁵

Wie der Autor Gerd Siegmund beschreibt, enthält das Internet Protocol in der Version 6 neue Funktionen, um das Routing zu vereinfachen, darunter¹⁶:

- Unicast: Adressiert wird genau eine spezielle Station. Innerhalb einer Uni cast-Adresse können Registry-ID, Provider-ID und Subscriber-ID unterschie- den werden. Registry-ID dient dabei als Vergabestelle von Provider-ID, Sub- scriber-ID hingegen wird vom Provider zur Einrichtung der Kunden verge- ben. Zusätzlich kann durch Subnet-ID und Interface-ID (Adressiert einen ein- zelnen Rechner an einem Subnet) komplexe Systeme und Netze unterschie- den werden.

- Multicast: Eine festgelegte Gruppe von Endsystemen wird adressiert. Beispielsweise können Verteildienste für Mitglieder, Abonnenten oder Konferenzen angeboten werden.

- Anycast: Adressierung erfolgt an ein beliebiges System einer bestimmten Gruppe. Die neue Adressierungsart selektiert den schnellsten Computer eines Netzes. Für die Verwendung dieser Adressierung kann beispielsweise die Nutzung eines Servers für bestimmte Aufgaben dienen, wovon es mehrere gleichwertige innerhalb eines Netzes gibt.

Es hat sich im Vergleich zum IPv4 nicht nur etwas an den Funktionalitäten, sondern auch an dem Header etwas verändert, wie Abbildung 6 zu erkennen lässt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: IPv6 Header

Quelle: Obermann, Kristof und Horneffer, Martin: Datennetztechnologien für Next Generation Networks: Ethernet, IP, MPLS und andere. 1.Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, 2009, S.142

Nach der Beschreibung der Autoren Kristof Obermann und Martin Horneffer haben die Felder in dem IPv6 Header folgende Bedeutung¹⁷:

Version:

Kennzeichnet die Version des IP´s und ist in der Bedeutung identisch mit dem Versions-Feld von IPv4.

Traffic Class:

Traffic Class ist identisch mit dem TOS-Feld von IPv4 und dient ebenfalls zur Markierung unterschiedlicher Klassen in Bezug auf QoS (Quality of Service).

Flow Label:

Dieses Flag ist eine Neuerung in IPv6 und dient zur Kennzeichnung von gewissen Flows. Der sendende Host kann dieses Feld zur Kennzeichnung von Flows verwen- den, hierfür muss er einen zufälligen Wert zwischen 1 und 2²⁰ -1 wählen, der dann für alle Pakete desselben Flows gleich ist. Sofern das Feld nicht verwendet wird oder das Paket keinem Flow zugeordnet werden kann, muss der Wert 0 eingetragen werden. Die Router können den Inhalt dieses Feldes beispielsweise für eine Hash-Funktion verwenden, falls die Pakete auf mehrere Pfade aufgeteilt werden und dabei jeder Flow einen bestimmten Pfad wählt.

Payload Lenght:

Payload Lenght enthält die Länge des IPv6-Paketinhalts ohne den Kopfbereich und weicht in diesem Punkt von dem Feld Total Lenght beim IPv4 ab.

Next Header:

Dieser Flag entspricht dem Feld Protocol ID bei IPv4 und kennzeichnet den Typ des nächsten Headers.

Hop Limit:

Dieses Feld gleicht dem Feld TTL bei IPv4 und gibt die maximale Anzahl an Zwischenschritten über Router an.

Source Address:

Wie auch beim IPv4 wird in diesem Feld die Absender-Adresse angegeben.

Destination Address:

In diesem Feld wird die Empfänger-Adresse angegeben -ähnlich dem IPv4.

2.2.5 TCP (Transmission Control Protocol)

In der OSI-Schicht 4 angelegt ist das TCP ein Transportprotokoll und sorgt für siche- re Ende-zu-Ende Kommunikation. Mit TCP ist nicht nur eine Fehlerüberwachung, sondern auch eine Flusskontrolle möglich. Die Fehlerüberwachung erfolgt anhand gewisser Flags, wie beispielsweise „Sequence Number“ (Zähler), „Checksum“ (Prüf- summe), und der „Acknowledgement Number“ (Quittierungsnummer) wie sie in Abbildung 7 des TCP-Headers dargestellt sind. Die Flusskontrolle hingegen wird sowohl durch das Feld „Zähler“, als auch durch ein so genanntes „Fenstergrößen- Management“ (Window Size) unterstützt. Anhand der genannten Flags kann die Kor- rektheit des Pakets überwacht werden. Im Falle eines Paketverlustes oder bei fehler- hafter Übertragung wird für eine erneute Versendung des Paketes gesorgt

Aufgrund der o.g. Verbindungssteuerung ist TCP für Echtzeitkommunikation unge- eignet und wird daher bei einigen Protokollen zwar für die VoIP-Signalisierung ver- wendet, jedoch nicht für die Nutzdaten. Für andere Dienste, wie beispielsweise HTTP beim www oder E-Mail Kommunikation über POP3/SMTP hingegen wird standardmäßig TCP verwendet, wie in der Abbildung 3 recht übersichtlich darge- stellt. Da aber meistens über eine Schnittstelle mehrere Dienste parallel genutzt wer- den, werden die Dienste durch gewisse „Ports“ angesprochen. Dabei gibt es sowohl standardisierte, als auch freie Ports, die man selbst bestimmten Diensten vergeben kann. So wird beispielsweise standardmäßig für http im www die Portnummer 80, für POP3 110, SMTP wird hingegen 25 zugeteilt und die Portnummer 23 wird für Telnet verwendet.¹⁸

[...]

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¹ Vgl. Badach, Anatol: Voice over IP - Die Technik: Grundlagen, Protokolle, Anwendungen, Migration, Sicherheit. 4. Auflage. Hanser, 2010, S.2

² Vgl. Obermann, Kristof und Horneffer, Martin: Datennetztechnologien für Next Generation Net- works : Ethernet, IP, MPLS und andere. 1. Auflage. Vieweg +Teubner Verlag, 2009, S.1 2

³ Vgl. Badach, Anatol: Voice over IP - Die Technik: Grundlagen, Protokolle, Anwendungen, Migration, Sicherheit. 4. Auflage. Hanser, 2010, S.4

⁴ Vgl. Badach, Anatol: Voice over IP - Die Technik: Grundlagen, Protokolle, Anwendungen, Migration, Sicherheit. 4. Auflage. Hanser, 2010, S.5

⁵ Vgl. Siegmund, Gerd, Next Generation Networks- IP-basierte Telekommunikation, Hüthig Verlag, 2002, S. 53 - 54

⁶ Vgl. Obermann, Kristof und Horneffer, Martin: Datennetztechnologien für Next Generation Networks : Ethernet, IP, MPLS und andere. 1. Auflage. Vieweg + Teubner Verlag, 2009, S.2

⁷ Vgl. About ITU - Overview: http://www.itu.int/en/about/Pages/overview.aspx, 2008

⁸ Vgl. ITU-T in brief: http://www.itu.int/net/ITU-T/info/Default.aspx, 08.05.2010

⁹ Sietmann , Richard: Der stille Machtkampf - Next Generation Networks: Wie sich Netzbetreiber und Ausrüster die Zukunft der Telekommunikationsnetze vorstellen, http://www.heise.de/ct/artikel/Der- stille-Machtkampf-973310.html, 2009

¹⁰ Vgl. ITU-T's Definition of NGN: http://www.itu.int/en/ITU-T/gsi/ngn/Pages/definition.aspx, 12.2004

¹¹ Vgl. Siegmund, Gerd, Technik der Netze 2, Neue Ansätze: SIP in IMS und NGN. 6. Auflage. Hüthig Verlag, 2009, S.170

¹² Vgl. Obermann, Kristof und Horneffer, Martin: Datennetztechnologien für Next Generation Net- works: Ethernet, IP, MPLS und andere. 1. Auflage. Vieweg +Teubner Verlag, 2009, S.32/S.33 1

¹³ Vgl. Obermann, Kristof und Horneffer, Martin: Datennetztechnologien für Next Generation Net- works : Ethernet, IP, MPLS und andere. 1. Auflage. Vieweg +Teubner Verlag, 2009, S.125 11

¹⁴ Vgl. Obermann, Kristof und Horneffer, Martin: Datennetztechnologien für Next Generation Net- works: Ethernet, IP, MPLS und andere. 1.Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, 2009, S.126 - 128 12

¹⁵ Vgl. Siegmund, Gerd, Technik der Netze 2, Neue Ansätze: SIP in IMS und NGN. 6. Auflage. Hüthig Verlag, 2009, S.76

¹⁶ Vgl. Siegmund, Gerd, Technik der Netze 2, Neue Ansätze: SIP in IMS und NGN. 6. Auflage. Hüthig Verlag, 2009, S.76 - 77

¹⁷ Vgl. Obermann, Kristof und Horneffer, Martin: Datennetztechnologien für Next Generation Networks: Ethernet, IP, MPLS und andere. 1.Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, 2009, S.143 16

¹⁸ Vgl. Trick, Ulrich und Weber, Frank: SIP, TCP/IP und Telekommunikationsnetze: Next Generation Networks and VoIP - konkret. 3. Auflage. Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 2007, S.73 - 74 18