Voice over IP - Eine Einführung in die IP Telefonie

Inhaltsverzeichnis

Was ist Voice Over IP?

Technologie Überblick
Hintergrund
Leitungsvermittelnde Telefonie
Paketvermittelnde Telefonie
Internet Protokolle und Netzwerk

IP Telefonie

Sprachqualität

Implementierung von IP Telefonie

Anwendungen der IP Telefonie

Standards & Protokolle
H.323
SIP
MGCP / H.248
OSP
Coder / Decoder

Ausblick

Quellenverzeichnis

Akronymverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Konfigurationsmöglichkeiten von IP Telefonie Anrufen

Tabelle 2: Qualität bei IP Telefonie

Tabelle 3: Komprimierungsalgorithmen

Was ist Voice Over IP?

Voice over IP (kurz: VoIP) ermöglicht die Sprachübermittlung in Internet Protokoll^[1] (IP) basierten Netzwerken. IP ist ein - oder besser gesagt - der Standard für Datentransfer basierend auf Paketvermittlungsverfahren. Sprache (‚Voice') wird zu Sendeübertragung paketiert. Die Pakete werden auf Empfängerseite wieder zusammengesetzt und dekodiert. VoIP wird fälschlicherweise oft mit Internet Telefonie verwechselt, das nur eine Form der Anwendung von VoIP ist, bei der Sprache (bzw. Sprachpakete) über das Internet übertragen wird.

IP war ursprünglich für die Datenübertragung entwickelt worden, bei der Verzögerungen und gelegentlicher Datenverlust weniger kritisch sind, weil Pakete durch das Netzwerk geschickt werden. Bei IP wird nicht zwangsläufig die kürzeste Route oder die gleiche Route für jedes Paket genutzt. Doch gerade Sprachkommunikation geschieht in Echtzeit (‚real time') und ist ‚mission-critical'. Verzögerungen können zu einer unerwünschten schlechten Dienstgüte (‚quality of service', kurz QoS) führen und Anrufe ganz verhindern. Paketverlust kann unter anderem durch eine Überlastung am Router (quasi ein Stau), im Netzwerk, durch Netzwerkschwankungen (‚Jitter') usw. verursacht werden, die zu Verlust von Wortteilen oder ganzen Sätzen in der Sprachübertragung führen.

Das wachsende Interesse an VoIP in unternehmensweiten Netzwerken wurde durch die Möglichkeit Daten und Sprache in einem Netzwerk zu kombinieren angetrieben. Theoretisch ermöglicht es ein einziges Netzwerk Verwaltungskosten zu sparen und die Handhabbarkeit (‚managebility') zu steigern. Zusätzlich kann ein konvergiertes Netzwerk einem Unternehmen Beschaffungskosten für die Netzwerkinfrastruktur senken. VoIP stellt in einfacher Weise Telefondienste gekoppelt mit Datenanwendungen zur Verfügung. Solche Anwendungen wie ‚Unified Messaging' und virtuelle Callcenter steigern die Möglichkeit in einem Unternehmen direkter und umspannender zu kommunizieren.

Kritiker von VoIP haben argumentiert, dass der Nutzen von konvergierten Netzen nicht die Kosten der Anschaffung von neuen Systemen rechtfertige. Anwendungen, die aus VoIP herrühren, seien nicht neu und sind auch bei Altsystemen bzw. konventionellen Technologien durch entsprechende Rekonfiguration verfügbar. Durch massive Senkungen im Bereich der Ferngespräche, wurde der Vorzug von VoIP, traditionelle Abrechnungsmechanismen von Telefonnetzbetreiber zu umgehen in Frage gestellt. Dennoch, VoIP hat es Unternehmen ermöglicht, in einer neuen Art und Weise zu arbeiten. Unternehmen treten verstärkt dezentralisiert auf, mit VoIP können unternehmensweite Ressourcen und Kommunikationssysteme zu Außendienstmitarbeitern, und Mitarbeitern, die von zu Hause aus arbeiten genutzt werden.

Trotz der technologischen (Weiter-)Entwicklung von VoIP ist es noch nicht an den Punkt in seiner Entwicklung angelangt, an dem es klassische leitungsvermittelnde Netze ersetzten könnte. Die klassischen Netze herrschen in der Sprachkommunikation seit mehr als einem Jahrhundert vor und haben sich bewährt.

Der Löwenanteil von Sprachkommunikation wird heute hauptsächlich von leitungsvermittelnden Telefonnetzen bereitgestellt, die ein hohes Maß an Qualität und minimaler Verzögerungszeit besitzten.

Tabelle 1: Konfigurationsmöglichkeiten von IP Telefonie Anrufen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Technologie Überblick

Hintergrund

Mitte der Neunziger Jahre hat die israelische Firma VocalTec eine Software vorgestellt, die es ermöglichte Telefonanrufe über das Internet zu tätigen. Waren Anrufer und Anrufender mit der Software „Internet Telephone“ ausgestattet und gleichzeitig online, konnte ein Telefonruf von einem PC zum anderen getätigt werden.

Zu Beginn war die Sprachqualität dürftig und eine Konversation war durch lange Verzögerungen charakterisiert. Die nachfolgenden Entwicklungen von IP Gateways, die dazu dienen IP und öffentliche leitungsvermittelnde Telefonnetze (‚public switched telephone network', kurz: PSTN^[2] ) zu brücken, machte es möglich einen Anruf von einem PC zu einem gewöhnlichen Telefon zu tätigen. Ein herkömmliches Telefon konnte nun genutzt, um einen Operator anzurufen, der den Anruf in ein IP Netzwerk weiterleitete.

Leitungsvermittelnde Telefonie

Wie eingangs erwähnt ist annährend die gesamte Sprachkommunikation leitungsvermittelnd und wird über PSTN übertragen. Die Geschwindigkeitsrate, mit der die Sprache übertragen wird, beträgt unterm Strich 64 Kbps. Eine direkte Verbindung zwischen zwei Verbindungspunkten hat eine permanente 64 Kbps Geschwindigkeitsrate für die Dauer des Anrufs. Diese Verbindung kann währenddessen nicht für einen anderen Zweck genutzt werden. PSTN bietet niedrige Latenzzeiten (Verzögerung) und ist bidirektional.

Das Hauptmanko von leitungsvermittelnden Netzen stellt die Unflexibilität und Ineffizienz dar, denn für jeden Anruf muss eine dedizierte Verbindung aufgebaut werden.

Paketvermittelnde Telefonie

In einem paketvermittelnden Netzwerk werden die Daten paketiert; jedes Paket besitzt eine Zieladresse. Während die Pakete über das Netzwerk übertragen werden, werden die Adressen von jedem Vermittlungsknoten (Router, Switch) für die Weitervermittlung (‚Routing') gelesen. Am Zielpunkt angelangt, werden die Pakete wieder zusammen-gesetzt und in richtiger Reihenfolge gebracht. Abhängig von der Auslastung des Netzes können Pakete verschiedene Routen auf dem Weg zum Zielpunkt wählen.

Der Hauptunterschied zu leitungsvermittelnden Netzen besteht darin, dass in paket-vermittelnden Netzen keine dedizierte Verbindung aufgebaut wird. Es ist ein so genanntes „verbindungsloses Netzwerk“, dass erlaubt, Netzwerkressourcen sehr effizient zu nutzen, da die Bandbreite von verschiedenen Anwendungen gemeinsam genutzt werden kann (‚Sharing').

Internet Protokolle und Netzwerk

Der Vollständigkeit halber sollte erwähnt werden, dass die Protokollfamilie TCP/IP der gebräuchlichste Standard für die Vernetzung von verschiedenen Netzwerktechnologien ist.

(Näher auf die Protokolle einzugehen würde den Rahmen dieses Referates sprengen, zu dem war die Behandlung der Thematik TCP/IP in seiner ganzen Fülle Bestandteil der Vorlesungen „Netzwerk- und Kommunikationstechnik", und „Netzwerkmanagement" in denen auf Technik, Architektur und Prinzipien detailliert eingegangen wurde.)

IP Telefonie

Bei IP Telefonie benutzt der Anrufer das PSTN und wählt die Nummer des IP Voice Gateways. Nach entsprechender Authentifizierung des Anrufers wird die Nummer des gewünschten Zieles gewählt. In einem Gateway wird das Sprachsignal digitalisiert, komprimiert und in IP Pakete konvertiert. Diese werden dann über ein IP basiertes Netz verschickt, das auch von anderen IP Anwendungen genutzt werden kann.Es gibt keine stillen Zeitabschnitte bei der eine Verbindung aufrecht erhalten wird aber ungenutzt ist. Die Netzwerkkapazität wird weiterhin von dem komprimiertem Sprachsignal genutzt. Das Gateway ist zwischen einem leitungsvermittelnden und einem paketvermittelnden Netzwerk angesiedelt. Es erfüllt die Funktionalität, Sprachverkehr (‚voice traffic') über verschiedene Netzwerke und Technologien hinweg zu übermitteln. Sprachanrufe werden am Gateway digitalisiert, kodiert, komprimiert und paketiert. Am Zielgateway wird dieser Prozess umgekehrt ausgeführt.

Ein Gateway stellt die folgenden Funktionalitäten zur Verfügung:

- Es ist die Schnittstelle zwischen Netzwerken verschiedener Technologien und ermöglicht die Signalübertragung.
- Sprachweiterverarbeitungsfunktionen wie Anrufauf- und -abbau.
- Übersetzung zwischen Telefonnummern und IP Adressen.
- Komprimierung und Dekomprimierung von Sprachsignalen. Komprimierung verringert den Umfang an Bandbreite, der von der Sprachübertragung genutzt wird und reduziert die Auswirkung von Verzögerungen.
- Paketierung und Entpaketierung von komprimierter Sprache.
- Echo- und Hallregelung.
- Stilleunterdrückung wird eingesetzt, sodass die Bandbreite nur dann benötigt wird, sofern jemand spricht.
- Vorwärts gerichtete Fehlerkorrekturmethoden (‚Forward error-correction’) für minimalen Verlust.
- Jitter-Puffer Techniken um Latenzzeitschwankungen zu reduzieren.
- Dienstgüte (QoS), um die Priorität der Sprachübermittlung zu gewährleisten.

[...]

^[1] Das erste RFC zum Internet Protokoll: http://www.ietf.org/rfc/rfc0791.txt

^[2] Basiert auf Kupferkabeltechnologie im Gegensatz zu neuen Telefonnetzen wie FDDI und ISDN. Wird auch gemeinhin als „plain old telephone service“ (POTS) bezeichnet.