Voice over IP - Zukunft der Kommunikation?

Inhaltsverzeichnis

I DER STATUS QUO: HEUTIGE FUNKTIONSWEISE VON INFORMATIONSAUSTAUSCH ÜBER NETZVERBINDUNGEN
I.1 VORBEMERKUNG:
I.2 AUSTAUSCH ANALOGER DATEN: VOICE / FAX.
I.3 AUSTAUSCH DIGITALER DATEN PRIVATER HAUSHALTE
I.4 AUSTAUSCH DIGITALER DATEN VON UNTERNEHMEN MIT LANS

II DAS GEMEINSAME PROBLEM VERSCHIEDENER WELTEN:
II.1 ÄNDERUNGSBEDARF AUS SICHT DER PRIVATEN HAUSHALTE
II.2 ÄNDERUNGSBEDARF AUS SICHT DER PSTN-NETZ-BETREIBER
II.3 ÄNDERUNGSBEDARF AUS SICHT DER UNTERNEHMEN
II.4 ÄNDERUNGSBEDARF AUS SICHT DER BACKBONE-BETREIBER
II.5 ÄNDERUNGSBEDARF AUS SICHT DER INTERNET SERVICE PROVIDER (ISPS)
II.6 DER GEMEINSAME NENNER DER SPIELER: PAKETNETZWERKE?

III DIE FUNKTIONSWEISE VON SPRACHÜBERTRAGUNG IN PAKETNETZWERKEN
III.1 ALLGEMEINE FUNKTIONSWEISE VON SPRACHÜBERTRAGUNG
III.2 DARSTELLUNG DER DERZEIT BEKANNTEN PAKETNETZWERKTECHNOLOGIEN
III.2.1 ATM (ASYNCRONOUS TRANSFER MODE)
III.2.2 FRAME RELAY
III.2.3 „PUBLIC IP“

IV GENERELLE, KONZEPTIONELLE UNTERSCHIEDE VON NICHT GEMANAGTEN NETZEN ZU GEMANAGTEN NETZEN

V ANFORDERUNGEN AN SPRACHÜBERTRAGUNGEN

VI PROBLEMATIK BEI DER REALISIERUNG ÜBER VOIP

VII TECHNISCHE ANSÄTZE ZUR VERBESSERUNG DER QUALITÄT
VII.1 SPRACHKOMPRESSION
VII.2 ECHOVERMEIDUNG
VII.3 MULTIPLEXING
VII.4 JITTER BUFFER

VIII

IX AUSBLICK
IX.1 MITTEL- UND LANGFRISTIG
IX.2 KURZFRISTIG

X QUELLEN

I Der Status Quo: heutige Funktionsweise von Informationsaustausch über Netzverbindungen

I.1 Vorbemerkung:

Wir möchten uns in diesem Abschnitt lediglich mit den Netzen von Telekommunikationsanbietern beschäftigen, die in ihrem „Backbone“ bereits digitalisierte Netzwerke nutzen, so z.B. der weit verbreitete PSTN-Standard (z.B. Amerika), ISDN oder xDSL, auf deren genauere Beschreibung verzichtet werden soll. Zwar existieren auf der Welt in weniger weit entwickelten Ländern noch immer analoge Netzwerke, diese sterben jedoch in rascher Geschwindigkeit aus und werden zunehmend von digitalisierten Netzwerken ersetzt, so dass diesen Relikten keine weitere erklärende Stellung zugemessen wird. Ende der Vorbemerkung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

andere Netzwerke,

z.B. Internet

I.2 Austausch analoger Daten: Voice / Fax.

Analoge Informationen wie Sprache oder Fax (in der derzeit verbreitetsten Form von Gruppe-3-Faxen) werden zur Zeit über die eigene TK-Anlage oder das Telefon selber in analoger Form an eine Schaltstelle der bisweilen noch in weitesgehender monopoler Stellung befindlichen Telekom übertragen und durch einen Analog-Digital-Wandler (A/D) in digitale Informationen gewandelt. Weiterhin werden sie in der Verbindungsform einer feststehenden Verbindung an den entsprechenden Empfängerwandler, ein Digital-Analog-Wandler (D/A) versendet. Dort werden sie wieder entsprechend in analoge Wellen gewandelt, an das Empfangsgerät (TK-Anlage oder direkt ans Telefon) weitergeleitet und hörbar gemacht.

Abhilfe findet dieses System mit der Bereitstellung digitaler Leitungs- anbindungen an den Endverbraucher direkt, der bereits in seiner TK-Anlage die A/D-Wandlung (resp. die D/A-Wandlung auf der Empfängerseite) vornehmen kann.

I.3 Austausch digitaler Daten privater Haushalte

Digitale Daten in Form von Computerdateien und -informationen aller Art werden derzeit über die im Rechner befindliche D/A-Wandlung (Modems) in analoge Wellen gewandelt, und gehen in Analogie zu I.2. über die Lokale Einwahl der Telekom den Weg zu digitalen Netzen, indem Sie in A/D-Wandlern wieder in digitale Informationen verwandelt werden. Anbieter digitaler Netze sind zum einen die Telekom (entweder Direktverbindungen zu einem Empfänger oder durch Nutzung von T-Online), andererseits zahlreiche Anbieter solcher Dienstleistungen, die bei der Nutzung des weitbekannten Internets als Internet-Service-Provider, kurz ISP’s, bezeichnet werden. Auf Empfängerseite findet der Prozess in umgekehrter Reihenfolge erneut statt.

Um diese Umständliche Handhabe von digitalen Daten zu vereinfachen, hat die Anwendung von digitalen Geräten weite Verbreitung gefunden: hier werden die Informationen in digitaler Form gelassen, und mit Hilfe digitaler Netzzugänge wie PSTN, ISDN, xDSL unmittelbar und unverändert weitergeleitet. Dies hat zum einen beim Verbraucher schnellere Übertragungsraten zur Folge, andererseits profitiert der Anbieter von weniger administrativem Aufwand für die Handhabung der zu übertragenden Daten.

Auf Empfängerseite bestehen die entsprechenden Möglichkeiten logischerweise ebenfalls. Eine Kombination von „analogisiertem“ Versender und „digitalisiertem“ Empfänger sind verständlicherweise problemlos darstellbar und sind an dieser Stelle nur der Vollständigkeit halber erwähnt.

I.4 Austausch digitaler Daten von Unternehmen mit LANs

Zusätzlich zu den in I.3 genannten Vorgehensweisen gehen dezentral lokalisierte Unternehmen immer mehr dazu über, eigene EDV-Netzwerke aufzubauen, um zum einen für die eigene Datensicherheit besser sorgen zu können, zum anderen jedoch um Kosten und Aufwand für die anfallenden Datenverbindungen so gering und effizient wie möglich zu halten. Oft werden hauseigene Netzwerke etabliert (Local Area Networks, kurz LAN’s), die über Gateways oder Router die Möglichkeit bieten, Daten auch mit unternehmensexternen Teilnehmern auszutauschen. Dies bietet zusätzlich zu I.3 die Möglichkeit zum Austausch digitaler Daten (siehe Grafik).

II Das gemeinsame Problem verschiedener Welten:

II.1 Änderungsbedarf aus Sicht der privaten Haushalte

¹ Die meisten der privaten Hauhalte nutzen derzeit ausschließlich das PSTN

(resp. das ISDN-Netzwerk) zur Informationsgewinnung und -weitergabe, indem sie

a) normal telefonieren (Anwahl von PSTN)
b) normal faxen (Anwahl von PSTN)
c) Datenverbindung für Computer herstellen (Anwahl PSTN, Nutzung eines Gateways, um in die IP -Welt zu gelangen)

Private Nutzer, die in Zukunft die Objekte der Begierde aus Sicht B2C- Ecommerces werden², werden neue Technologien erst dann als Massenmedium nutzen, wenn deren Nutzung als einfach und intuitiv garantiert ist, und zusätzlich zur Bequemlichkeit auch die persönlichen Kosten reduziert werden können.

Der Änderungsbedarf bei den privaten Haushalten ist demnach die einheitliche und intuitive Bedienung neuer Technologien, die u.a. zu Kostenreduzierung führen sollte.

II.2 Änderungsbedarf aus Sicht der PSTN-Netz-Betreiber

Bereits 1997, so berichten Telekommunikationsunternehmen, hat das Volumen des Datenverkehrs derzeitiger PSTN-Netzwerke³ das Volumen an Sprache bereits übertroffen.⁴ Passend hierzu gibt es verschiedene Untersuchungen die besagen, dass für den Zeitraum 2005 bis 2010 das weltweite Volumen des Datenverkehrs (also alle Netze zusammen) das der Sprache übertreffen wird.⁵ Wir sehen zwei Welten, die zum derzeitigen Zeitpunkt zwar verbunden werden können (über Gateways), von der technologischen Seite jedoch wenig gemein haben:

1.) Sprache/Fax als analoge Informationen, die derzeit am besten über synchrone Festverbindungen dargestellt werden können,
2.) Daten als digitale Informationen, die die Bandbreite der PSTN-Netzwerke belasten und daher die (teuren)⁶ PSTN-Gebühren anfallenlassen, und durch PSTN-IP-Gateways durch müssen, um ihre eigentliche Aufgabe zu erfüllen.

Es gibt Ansätze, diese beiden Aufgabenbereiche stärker als bisher voneinander zu trennen. So z.B. verschiedene entwickelte Datenanbindungen für die digitale Welt: Satellitenanbindung, Kabelnetze, Stromkabelnetze, Funkverbindungen, etc. Wir werden sehen, ob solche Ansätze mit anderen Problemstellungen (Änderungsbedarf bei Unternehmen; Weiterentwicklung und Konvergenz der Medien) eine Lösung darstellen könnten.

Wir stellen zusammenfassend fest, dass der Bedarf bei den Betreibern von PSTN-Netzwerken eine effizientere Gestaltung der Datenkommunikation sowie der Sprach/Fax-Kommunikation bedeutet.

II.3 Änderungsbedarf aus Sicht der Unternehmen

Die Unternehmen betreiben meist eigene Netzwerke, sog. Local Area Networks (LANs) und Wide Area Networks (WANs), um den eigenen Datenverkehr in selbstverwalteter Form (managed networks) effizient darstellen zu können. Parallel dazu ist das Bedarfswachstum der Sprach-Fax-Kommunikation neben der Datenkommunikation bei den Unternehmen eine stetig wachsende Herausforderung. Ursachen dafür können u.a. die fortschreitende Virtualisierung und/oder eine evolutionäre Globalisierung sein. Fakt ist, dass das immense Aufwendungen im IT-Bereich (Datenkommunikation: LAN, WAN) sowie gleichzeitig im TK-Bereich (Voice-Fax-Kommunikation) anfallen. Dies generiert enorme Kosten. Wünschenswert wäre eine Konvergenz, die die teuren Bandbreiten des LANs/WANs besser ausnutzen, indem Sprache diese mitnutzen könnte.

In diesem Bereich gibt es bereits sehr gute Ansätze⁷, die das „hauseigene“ Netzwerk auch für hauseigene Kommunikation nutzen. Auch hier finden wir die Notwendigkeit, Sprache zu packen, um sie (in welchem Backbone auch immer, meist IP -Netzwerke) über Netzwerke vermitteln zu können. Die Qualität dieser Systeme ist bereits heute sehr gut, dennoch muss man betonen, dass man sich hier ausschließlich in einer hauseigen Netzwerkumgebung befindet, die verwaltet ist (managed networks) und in der die Performance (z.B. durch die Wahl gleicher Switches des gleichen Herstellers) optimiert werden kann. Bereits hierdurch wird dem Ziel der Unternehmen, Systeme zu verschmelzen um (a) andere Anwendungen möglich zu machen (Document sharing mit gleichzeitiger Besprechung dessen) und natürlich (b) letztendlich Kosten sparen zu können, Rechnung getragen.

Der Änderungsbedarf seitens der Unternehmen, getrieben durch Effizienzsteigerung und Kostenreduzierung, ist demnach, gepackte Voiceübertragung zu standardisieren.

II.4 Änderungsbedarf aus Sicht der Backbone-Betreiber

Die „Betreiber“ von Backbones wie bspw. Das WiN, zusätzlich aber auch kommerzielle Betreiber wie Xlink, Uunet u.a. haben immer mehr Datendurchsatz zu managen. Das Wachstum der Informationsvermittlung kann entweder durch extrem kostenintensive Erweiterung der Bandbreite vollzogen werden, oder durch clevere Reduktion der Datenmenge, z.B. durch besser Kompression, Standardisierung, etc.

Weil (siehe II.2) schon in naher Zukunft mit exorbitantem Informationsdurchfluß gerechnet wird, und verschiedene Backbones (ob Voice, Daten oder was auch immer) in ihrer Entwicklung nebeneinander stehen (so z.B. ATM, Frame Relay, IP) drängen die Betreiber auf eine Vereinheitlichung und Standardisierung, um diesem Wachstum begegnen zu können.

Backbone-Betreiber verlangen nach Standardisierung von Paket-Netzwerken, um dem Datenwachstum gerecht werden zu können.

II.5 Änderungsbedarf aus Sicht der Internet Service Provider (ISPs)

Internet-Service-Provider haben sich in ihrem hart umkämpften Konkurrenz- markt um den Endkunden bereits eine gute Position bei den Kunden gesichert. Aus Sicht der ISPs ging dies leider auf Kosten der Profitabilität, der Preiskampf scheint hier zudem noch lange nicht beendet. ISPs sind demnach dringend daran interessiert, IHREN Endkunden zusätzliche Serviceleistungen verkaufen zu können, an denen weiteres Geld verdient werden kann. Dies könnte z.B. die Bereitstellung eines Zugangs sein, über den nicht nur Datenfluss, sondern auch Voice/Fax-Fluss dargestellt werden kann. Dafür müssten die entsprechenden Backbones dieses jedoch darstellen können (siehe II.3) und eine einwandfreie Verbindung⁸, auch zu PSTN-Netzen müsste gewährleistet sein.

ISPs wünschen sich standardisierte Netzwerkkonvergenz, um Zusatzleistungen verkaufen zu können.

II.6 Der gemeinsame Nenner der Spieler: Paketnetzwerke?

Zusammenfassend führen wir hier die Anforderungen noch einmal zur besseren Übersicht auf:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten⁹

Wir sehen den Trend, und das bestätigen zahlreiche Marktforschungen¹⁰, dass der gemeinsame Nenner einer bedarfgerechten Technologieentwicklung darin liegt, einen einheitlichen Netzwerkstandard zu entwickeln, der in Form komprimierter, gepackter Datenbündel den Informationsaustausch zwischen Teilnehmern sowohl digital (Daten) als auch analog (Voice/Fax) darstellen kann. Sicherlich wird für einige Zeit die „normalen“ Telefonnetzwerke (PSTN, ISDN, xDSL) weiterhin bestehen bleiben, in langfristiger Betrachtung werden diese jedoch zunehmend von standardisierten Paketnetzwerken verdrängt werden.

III Die Funktionsweise von Sprachübertragung in Paketnetzwerken

Wenn man den Weg betrachtet, den die Sprache auf dem Weg vom Mund des Sprechers bis an das Ohr des Empfängers zurücklegt, gibt es drei Phasen.

III.1 Allgemeine Funktionsweise von Sprachübertragung

1. Die Umwandlung von der Sprache in ein digitales Format

Die analoge Welle wird abgetastet und digitalisiert. Entscheidend für die Sprachqualität sind die Abtastrate und die abgetastete Frequenzbreite, die übertragen wird. Dies hängt von den Analog/Digital Wandlern (A/D Wandler) und der zur Verfügung stehenden Bandbreite bei der folgenden Übertragung ab.

2. Die Übertragung über das Netzwerk

Die Information wird je nach Netzwerkstruktur zum Empfänger übertragen. Die unterschiedlichen Methoden zur Übertragung werden weiter unten angesprochen.

3. Umwandlung der Digitalen Daten in eine analoge Welle.

Der erste Schritt wird umgedreht. Diesmal wandelt ein D/A Wandler die digitalen Informationen in eine analoge und damit hörbare Welle um.

Diese Betrachtung erscheint trivial, erleichtert jedoch das Verständnis späterer Problemstellungen.

III.2 Darstellung der derzeit bekannten Paketnetzwerktechnologien

Relevant für unsere weiteren Betrachtungen hinsichtlich der verschiedenen Paketnetzwerktechnologien ist der in III.1 aufgeführte Unterpunkt 2, 1 und 3 bleiben generell gleich, weil Audiowellen stets einer Umsetzung bedürfen, um digital transportiert zu werden. Unserer Meinung nach wird es trotz der rasanten Entwicklungen in unserer Evolution noch lange nicht möglich sein, bereits digital zu sprechen bzw. zu hören.¹¹ Eine A/D- bzw. D/A-Wandlung wird also nach wie vor notwendig sein.

III.2.1 ATM (Asyncronous transfer mode)

Der Asyncronous Transfer Mode (ATM) ist eine Technologie, die von den Breitbandnetzwerken der Zukunft namens B-ISDN genutzt wird. ATM kann potentiell die gebrauchten Kapazitäten effizient darstellen und zusätzlich (ggü. III.2.2) verschiedenste Formen von Serviceanforderungen erfüllen.¹²

Das ATM-Netzwerk befördert den gesamten Traffic in Form eines Datenstroms, bestehend aus Paketen fester Größe (5 bytes für Header, 48 bytes Information), die zusammengefasst als Zellen bezeichnet werden. Durch das Zusammenfassen in feste Größen kann eine schnelle und leicht zu verwaltende Funktionstüchtigkeit der Switches gesichert werden.

Diese Technologie wird als verbindungsorientierte Technologie bezeichnet (im Gegensatz zu III.2.3), d.h., bevor zwei Systeme eines Netzwerkes miteinander kommunizieren können, muss das Netzwerk zuerst über deren Serviceanforderungen informiert werden. Dies geschieht durch einen der eigentlichen Verbindung vorausgehenden Verbindungsaufbau¹³. Hierdurch wird die Basis geschaffen, um Servicequalitäten¹⁴ (quality of service (QoS), z.B. Logiken um Paketverluste, Paketverspätungen etc. zu erkennen) bei ATM garantieren zu können.

Bei ATM haben wir es mit virtuellen Verbindungen zu tun, bei denen der Pfad beim Verbindungsaufbau vordefiniert wird. Dieser Pfad stellt eine Art Bündel aus verschiedenen virtuellen Verbindungen dar. Die Datenpakete in einer dieser Verbindungen haben ihren Identifikator im jeweiligen Header. Dadurch können den einzelnen Verbindungen die Bandbreitenkapazitäten nach Bedarf zugewiesen werden (Gegensatz hierzu: feste Zuweisungen in feststehenden Verbindungen bei PSTN).

Vorteil von ATM neben der Darstellbarkeit von Services ist sicherlich, dass durch die feststehenden Wegvereinbarungen die Serviceanforderungen der Nutzer geplant, überwacht und demnach weitestgehend garantiert werden können.

Der größte Nachteil der ATM ist sicherlich seine Komplexität, mit dem dieses System Services darstellt. Zur Darstellung der bereits heute bekannten Services ist ein enorm hoher Aufwand notwendig; weitere Anwendungen wie multimediale Anwendungen werden alle für sich eigene Anforderungen an das Netzwerk stellen, die in Ihrer Komplexität von ATM als „geplantes“ Netzwerk schwer zu erfüllen sein mögen.

Generell ist anzumerken, dass ATM als planungsbedürftige Technologie die Vorteile von „chaotischen“ Entwicklungszyklen (z.B. über RFC’s) nicht in Anspruch nehmen kann, und dadurch mögliche Nischenbedürfnisse nicht von Anfang an abgedeckt werden könnten. Dies hat möglicherweise eine mangelnde Effizienz und ein langsameres Wachstum des Netzwerkes zufolge.

III.2.2 Frame Relay

Frame Relay ist eine in zahlreichen weltweiten Netzwerken eingesetzte High- Speed Kommunikationstechnologie, die LANs, Internet und Voice/Fax- Anwendungen verbinden kann. Bei dieser Technologie werden Informationen in „frames“ resp. „packets“ geteilt, um sie anschließend über WANs zu versenden. Jedes Paket bekommt eine Adresse die vom Netzwerk für die Zustellung des Informationsbruchstücks genutzt wird. Die Pakete passieren auf diese Weise zahlreiche Switches, um schließlich den Empfänger zu erreichen.

Frame Relay benutzt eine einfache Form der Paketweiterleitung. Diese kann bereits heute problemlos von gut ausgestatteten PCs, Workstations und Servern, vollzogen werden. Diese müssen lediglich in der Lage sein, mit intelligenten Protokollen wie z.B. TCP/IP operieren zu können. Ein Frame Relay Netzwerk stellt ebenfalls keine einzelnen physischen Verbindungen zwischen zwei Endnutzern dar, sondern vielmehr einen „logischen Pfad“, der als „virtuelle Verbindung“¹⁵ bezeichnet wird. Anders als bei ATM (siehe III.2.1) werden bei Frame Relay verschiedene virtuelle Verbindungen nicht gebündelt, sondern existieren jede für sich neben anderen Verbindungen. Wenn innerhalb einer bestimmten Verbindung Daten zur Übermittlung anstehen, wird ihr für den benötigten Moment Bandbreite zur Verfügung gestellt, jedoch nicht dauerhaft vorgehalten. Bandbreite wird demnach generell auf einer Paketbedarfsebene¹⁶ vermittelt bzw. bereitgestellt. Somit kann das Netzwerk teure Ressourcen effizienter Nutzen. Außerdem ist Frame Relay eine Technologie die auf gemanagten Netzwerken beruht (näheres dazu siehe IV), und somit ist die Datensicherheit in der Hand des Betreibers um ein Vielfaches besser schützbar als bei ungemanagten Netzwerken. In der derzeit extrem schnellen Technologieentwicklung ist Machbarkeit ein enorm wichtiges Merkmal zur Akzeptanz und Umsetzbarkeit neuer Entwicklungen. Aufgrund der geringen Systemanforderungen liegt demnach ein weiterer Vorteil in der schnellen Umsetzbarkeit der Frame Relay Technologie.

Gerade bei der Schnelllebigkeit der Technologieentwicklungen beschleunigen sich analog dazu auch die Anforderungen an eine ebensolche. Einer der Hauptnachteile von Frame Relay liegt sicherlich darin, dass Servicedienstleistungen, denen immer höhere Stellenwerte in der Wertschöpfung neuer Technologien zugerechnet werden, hier nur schwer bzw. gar nicht dargestellt werden können.¹⁷

Generell ist (in Analogie zu III.2.1.) auch bei Frame Relay anzumerken, dass wir es hier ebenfalls mit einer planungsbedürftigen Technologie zu tun haben, die die Vorteile von „chaotischen“ Entwicklungszyklen (z.B. über RFC’s) nicht in Anspruch nehmen kann, um mögliche Nischenbedürfnisse von Anfang an miteinzubinden. Dies hat möglicherweise eine mangelnde Effizienz und ein langsameres Wachstum des Netzwerkes zufolge.

III.2.3 „Public IP“

Unter Public IP verstehen wir Übertragung über allgemein zugängliche Netzwerke wie das Internet. Da niemand das gesamte Netzwerk kontrolliert, ist es nicht möglich virtuelle oder reale Verbindungen zu erstellen. Der Weg der einzelnen Pakete kann nicht beeinflusst werden, da jeder Router die Weiterleitung unabhängig vornimmt.

Jedes Paket kann so einen anderen Weg nehmen, was zwar erstens dafür sorgt, dass Bandbreiten optimal ausgenutzt werden können, jedoch auf der anderen Seite dazu führt, dass die Paketlaufzeiten stark schwanken. Auf die einzelnen Probleme gehen wir unter V und VI ein.

Folgende Darstellung beschreibt die nötigen Prozesse bei der Sprachübertragung mit Hilfe der VoIP Technik.¹⁸

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Unterschied zwischen Private und Public IP entspricht gemanagte bzw. nicht gemanagten Netzwerken. Die bedeutende Auswirkung auf die Übertragung wird an dieser Stelle erörtert.

IV Generelle, konzeptionelle Unterschiede von nicht gemanagten Netzen zu gemanagten Netzen

Zur Unterscheidung von diesen beiden Netzarten muss geklärt werden, was gemanagtes Netz überhaupt ist. Es handelt sich dabei um den Zusammenschluss von mindestens zwei Computern, wobei die Art der Verknüpfung und der Datenaustausch von einer zentralen Stelle bestimmt und kontrolliert werden kann bzw. wird. Klassisches Beispiel ist das Intranet in einer Firma, das von Systemadministratoren überwacht wird und für ihn im Idealfalle transparent ist.

Auf der anderen Seite kann man mehrere Netze zusammenschließen, ohne dass es eine Institution oder Person gibt, die die Kontrolle über das Netzwerk hat. Damit der Zusammenschluss funktioniert, einigt man sich auf bestimmte Regeln - Protokolle. Das bekannteste Beispiel ist das Internet, das aus zahlreichen zusammengeschlossen Netzen besteht und TCP/IP als Protokoll verwendet.

Die Konsequenzen, die sich aus diesem unterschiedlichen Aufbau ergeben sind erheblich. Zum einen ist es natürlich erheblich einfacher viele Netze über einen offenen Standard, der sich während der Nutzung weiterentwickelt, zu verknüpfen, als ein neues Netz über die ganze Welt auszubauen. Man erreicht das Maß an Ubiquität, das das Internet heute hat, nicht, wenn man ein neues Netz dafür aufbauen muss. Der Anreiz für ein Unternehmen ist zu gering. Vergleichbar ist dies mit dem Telefonnetz in Deutschland. Nutzen möchten es sehr viele Firmen, aber aufbauen keine. Nur besonders lukrative Bereiche werden weiterentwickelt.

Auf der anderen Seite muss man Nachteile in Kauf nehmen. Man verliert Kontrolle. Es gibt niemanden, der das Netz kontrollieren kann, auch wenn dies immer wieder versucht wird. Inwieweit das allgemein ein Nachteil ist, ist eine philosophische Frage. Für die bestmögliche Sprachübertragung ist dies jedoch problematisch.

Die fehlende Kontrolle führt dazu, dass ich als Nutzer nicht weiß welchen Weg meine Dateien von meinem Rechner aus bis zum Zielrechner gehen. Zwar kann ich dies für den Augenblick feststellen, aber bestimmen oder beeinflussen kann ich dies nicht. Beim Senden von größeren Datenmengen, die nicht in einem Paket verschickt werden können, kann so jedes der Sub-Pakete einen anderen Weg nehmen. Dadurch kann auch die Reihenfolge beim Absender eine andere sein, als die beim Empfänger (durch unterschiedliche Laufzeiten). Dies hat gerade für die Sprachübertragung eine hohe Relevanz.

Dass man sich auf den kleinsten gemeinsamen Nenner einigen muss und dadurch die Geschwindigkeit und Bandbreite immer vom schwächsten Glied - Netz oder Router- abhängt, bzw. ist eine weitere Auswirkung der Struktur des Internets, das in dieser Arbeit als das Beispiel für nicht gemanagte Netze verwandt wird.

V Anforderungen an Sprachübertragungen

Aus Umfragen und Tests hat sich ergeben, dass die Anforderungen an Sprache sehr hoch sind. Die Qualität lässt sich durch folgende Kriterien beschreiben::

a) gute Abbildung der analogen Welle, d.h. hohe Abtastrate von einem breiten Frequenzspektrum
b) Full-Duplex
c) Echo
d) Informationsverluste
e) Verzögerung beim Transport (schon bei über 200 ms, wird eine Verzögerung von vielen Menschen als unnatürlich empfunden)
f) Stabilität, d.h. keine Abbrüche der Kommunikation

Für das Netz bedeutet dies, dass große Datenmengen, verlustfrei, kontinuierlich und schnell übertragen werden müssen.

VI Problematik bei der Realisierung über VoIP

Die angesprochenen Anforderungen an Sprache werden an dieser Stelle zunächst genauer erläutert, um die vielfältigen Problemkreise zu verdeutlichen, bevor die Techniken, die die konzeptionelle Schwäche von TCP/IP bei der Sprachübertragung ausgleichen sollen, vorgestellt werden.

a) gute Abbildung der analogen Welle, d.h. hohe Abtastrate von einem breiten Frequenzspektrum

Je besser die Digitalisierung der analogen Welle ist, um so größer ist die Datenmenge, die produziert wird. Dies führt erstens zu einer längeren Rechenzeit bevor die Pakete versandt werden können und verzögert zweitens die Übertragung über das Netz, wenn die Bandbreite nicht ausreicht, um den Datenstrom kontinuierlich zu verarbeiten. Durch die größere Datenmenge erhöhen sich auch die Kosten, da mehr Kapazität zur Verfügung gestellt werden muss, um die Nachfrage befriedigen zu können.

b) Full-Duplex

Full-Duplex bedeutet, dass die Daten gleichzeitig in beide Richtungen übertragen werden. Während ich rede, kann ich den anderen hören. Das Gegenteil wäre Half-Duplex, wie man es vom Funken kennt. Dies führt dazu, dass die Bandbreite am Sender/Empfänger für jede Richtung halbiert wird. Man könnte die Qualität deutlich steigern, wenn man auf Full-Duplex verzichten kann, z.B. bei der Abfrage meines Anrufsbeantworters per Fernabfrage. Im normalen VoN (Internettelefonie) ist dies jedoch nicht möglich, da die Qualität nicht akzeptiert wird.

c) kein Echo

Es gibt auf der letzten Meile sowohl 4- als auch 2-adrige Leitungen. Bei 2- adrigen Leitungen kann, wenn die Impedanz zu niedrig ist, das ausgehende Signal um ca. 20 ms verzögert auf der eingehenden Leitung übertragen werden. Dies führt zu einem Echo, das über einen Filter reduziert werden muss. s. 5 b)

d) keine Informationsverluste

Bei der Übertragung von Informationen über das Internet besteht die Gefahr, dass Informationen verloren gehen. Wenn ein Router überlastet ist oder durch eine falsche Weiterleitung und dadurch bedingten Ablauf der Nachricht, Pakete gelöscht werden. Bei Sprachübermittlung führen schon geringe Verluste zu hohen Qualitätseinbußen.

e) Keine Verzögerung beim Transport

Die Konzeption der Sprachübertragung (s. Schaubild oben) bedingt eine gewisse Verzögerung. Die Sprache wird digitalisiert und gepackt. Zusätzlich benötigt der Transport über das Netz zusätzliche Zeit. Jeder Router muss die Pakete weiterverarbeiten. Im besten Falle benötigt er dafür <10 ms, im schlechten Fall kann es jedoch auch mehr als 150 ms dauern, bis die Weiterleitung erfolgt ist. Mit zunehmender Routerzahl, die u.a. von der Entfernung abhängt, steigt die Übertragungszeit.

Der dritte Schritt, die Umwandlung in eine analoge Welle kostet weitere Zeit.

f) Hohe Stabilität, d.h. keine Abbrüche der Kommunikation

Die Kommunikation ist schon unterbrochen, wenn für einige Sekunden keine Daten mehr übertragen werden. Fällt also ein Router im Netz aus oder ist er für längere Zeit überlastet, kommt keine Kommunikation mehr statt. Je länger die Kommunikation und je höher der Traffic auf der Verbindung, umso eher bricht die Kommunikation ab.

Fazit:

Mehrere dieser Ziele konkurrieren miteinander. Zum Beispiel stehen die Qualität der Digitalisierung und die Verzögerung grundsätzlich in einer negativen Korrelation. Je besser die Digitalisierung ist, umso stärker verzögert sich die Übertragung, da die Datenmenge steigt. Jeder Übertragungsstandard berücksichtigt diese Probleme. Die Schwerpunkte sind jedoch bei jedem Vocoder anders gelegt.

Die Messung der Qualität der Sprachübermittlung erfolgt z.B. mit der MOS (Mean Opinion Score) der eine subjektive Messung der Sprachqualität darstellt.

Einen Überblick gibt folgende Tabelle¹⁹:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die G.7xx Standards sind die Unterstandards des allgemein akzeptierten H.323 Standards, der eine Kompatibilität der zahlreichen Lösungen sicherstellen soll. Viele Lösungen sind bisher Insellösungen gewesen, die nur dann eine gute Qualität liefern, wenn beide Partner die gleiche Software einsetzen. Dies wiederspricht dem Ubiquitätsgedanken des Internets und würde damit gleichzeitig einen großen Nachteil von IP Lösungen gegenüber PSTN Lösungen bedeuten, die dank weltweiter Standards überall funktioniert.

VII Technische Ansätze zur Verbesserung der Qualität

Grundsätzlich versucht man bei der Übertragung von Sprache über ein IP - Netzwerk die Quadratur des Kreises. „Sprache ist ein isochroner Dienst, der nur geringe Verzögerungen und Laufzeitschwankungen erlaubt. Das TCP/IP - Protokoll ist dagegen ein verbindungsloser Dienst, bei dem die Laufzeiten stark schwanken und einzelne Pakete unterschiedliche Wege nehmen können.“²⁰ Trotzdem gelingt es mit den Techniken, die wir jetzt vorstellen, eine gute Sprachqualität über TCP/IP Protokolle zu ermöglichen.

VII.1 Sprachkompression

Ein Telefonat zwischen zwei Personen besteht nicht aus einem kontinuierlichen Datenfluss. Diese Eigenschaft nutzt die „silence suppression“ - Unterdrückung von Stille - Technik aus. Wenn ein Teilnehmer nicht spricht, werden fast keine Pakete übertragen, dies spart Bandbreite. Damit keiner der Teilnehmer das Gefühl hat, dass die Leitung unterbrochen ist, wird ein gewisses Hintergrundgeräusch vom Empfänger selbst produziert, es wird also nicht über das Netz übertragen. Dies ist nur nötig, um den Gewohnheiten der Nutzer gerecht zu werden.

VII.2 Echovermeidung

Das Digital Signal Processing setzt adaptive Filter ein, um das Echo zu verhindern. Es werden also die ausgesendeten Daten, die bei 2-adrigen Leitungen als Echo ca. 20 ms später auf der Eingangsleitung zurückkommen, als Filterdefinator benutzt. Ein flexibler Filter, der dadurch sowenig wie möglich Informationen schluckt und trotzdem eine effektive Echounterdrückung gewährleistet.

VII.3 Multiplexing

Eine weiter Möglichkeit eine vorhandene Leitung besser auszunutzen ist mehrere Gespräche gleichzeitig zu übertragen. Dabei können Informationen von zwei verschiedenen Gesprächen sogar in ein und demselben Packet sein. Durch diese Maßnahme wird der Protokoll Overhead reduziert, der genau wie die eigentliche Information Bandbreite in Anspruch nimmt. Diese Technik nennt sich Voice flows und kann den Overhead auf bis zu 3% reduzieren, so dass z.B. statt bei einer normalen parallelen Nutzung einer Leitung 10 jetzt 12 Gespräche gleichzeitig übertragen werden können.

VII.4 Jitter Buffer

Vor allem bei Übertragung über nicht gemanagte Netze haben Pakete unterschiedliche Laufzeiten. Die unterschiedlichen Verzögerungen werden durch den Jitter Buffer wieder ausgeglichen. Er speichert einkommende Pakete zwischen und leitet die Pakete dann in den richtigen Abständen weiter. Dadurch bleibt der Sprachfluss natürlich. Problematisch ist jedoch, wenn der Jitter Buffer zu groß wird, weil z.B. auf ein verlorenes Paket oder ein Paket, das sehr viel länger als normal unterwegs ist, gewartet wird. Dann steigt die Gesamtverzögerung und reduziert so die Gesprächsqualität. Der Buffer ist nicht konstant, sondern passt sich an die Netzwerkgegebenheiten an, wird jedoch nach oben begrenzt, um gleichzeitig eine gute Sprachqualität und eine möglichst geringe Gesamtverzögerung zu erreichen.

VIII Fax over IP

Die Übertragung von Faxdaten funktioniert auf Grund der Struktur eines IP Netzwerkes anders, als eine Übertragung via PSTN. Vor einem klassischen Faxversand wird ein Kontakt zwischen Sender- und Empfängerfax hergestellt, dann wird sich auf ein Übertragungsprotokoll geeinigt, bevor die eigentliche Übertragung stattfindet.

Bei der Übertragung über ein IP -Netzwerk geht dies nicht, daher übernimmt das Gateway die Funktion des Empfängerfaxes. Es einigt sich mit dem Fax auf ein Protokoll und spiegelt ihm vor, das Empfängerfax zu sein. Die Übertragung erfolgt dann an das Gateway.

Auf der anderen Seite des Netzwerkes einigt sich das Empfängergateway mit dem Faxgerät auf einen Übertragungsstandard, wandelt die Daten wieder in einen für Faxgeräte lesbaren Standard um und überträgt die Daten.

Es findet also eine Entkopplung von Sender und Empfänger statt. Vorteil ist, dass jedes Fax immer mit der höchsten ihm möglichen Übertragungsrate arbeiten kann, wenn die Gateways dafür ausgerüstet sind. Man muss nur noch das Gateway updaten und nicht alle Faxgeräte. Problematisch ist die noch geringere Sicherheit von Übertragungen, wenn keine Verschlüsselung erfolgt, als bei einer direkten Übertragung über PSTN.

IX Ausblick

IX.1 mittel- und langfristig

Durch die Möglichkeit Daten und Sprache über dasselbe Netzwerk und dieselbe Leitung zu übertragen, wird es möglich sein viele Serviceleistungen gleichzeitig zu nutzen. Sprach-, Daten-, Fax- und Multimediadienste werden nicht mehr getrennt sein, sondern in einer Einheit verschmelzen können. Das Netzwerk wird nicht mehr bewusst wahrgenommen, so wie es heute bei der Nutzung des Internets ist, sondern ein Bestandteil des Alltages ohne dass der Nutzer dies bemerkt oder sich Gedanken darum machen muss.

Eine weiter Leistung der Gateways wird sein, dass TK-Anlagen überflüssig werden. Alle Dienste können direkt angeboten werden und müssen nicht mehr von einer Anlage beim Nutzer gesteuert werden.

IX.2 kurzfristig

Bis es zu diesen neuen Nutzungsmöglichkeiten kommt, kann der Nutzer durch die VoIP Technik schlicht und einfach Geld sparen. Unternehmen können interne Telefongespräche über das Intranet abwickeln, Privatpersonen können billiger telefonieren und die Carrier können ihre Leitungskapazitäten besser ausnutzen.

X Quellen

- http://www.vocaltec.com
- http://www.pulver.com
- http://www.telephonyworld.com
- http://www.arcor.de
- http://www.3com.com
- http://www.ces-germany.de
- http://www.cook-report.com
- White papers Spring VON Conference 1997, 1999

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[...]

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¹ Wir werden diese in späteren Erwähnungen auch als residences (Residenzen) home systems bezeichnen

² Business to Consumer (B2C) entgegen Business to Business (B2B)

³ They call it public voice networks

⁴ Aussage aus: White Paper: IP Telephone Design and Implementation Issues, William E. Witowsky, Telogy Networks, Inc., www.teogy.com

⁵ Aus: Voice over IP: Neu Wege für Sprache im Intranet, Ein Aufsatz von telemation.de, siehe www.telemation.de

⁶ ;-))

⁷ z.B. von Vienna Systems (gehört mittlerweise zu NOKIA)

⁸ Wir lesen von Quality of Service (QoS), der die Anforderungen i.F. eines „Pflichtenbuch“ and die Technologieentwickler stellt

⁹ Damit ist der Verkauf weiterer Serviceleistungen neben den derzeit gegebenen Leistungen der jeweiligen Kernkompetenzen gemein.

¹⁰ Z.B. Gardner Group, McKinsey, Forrester Research, Yankee Group, IDC, Probe

¹¹ §;-)

¹² Service sind im Kontext der Netzwerke z.B. als Aufbaumöglichkeit einer Dreierkonferenz etc. zu verstehen.

¹³ Connection establishment process als original wäre hier sicherlich angebrachter, wir entschieden uns jedoch auf Anglizismen weiterstgehend zu verzichten.

¹⁴ Hier im Sinne einer Netzwerkqualität

¹⁵ in unserer Recherche existiert ausschließlich der Begriff des „virtual circuits“, den wir als virtuelle Verbindung übersetzt haben.

¹⁶ Packet-to-packet basis

¹⁷ Servicedienstleistungen i.S.v. z.B. Konferenzschaltungen, intuitives Call Forwarding etc.

¹⁸ s. http://www.vocaltec.com

¹⁹ s. http://www.telephonyworld.com/training/mockng/voipnuvo.htm S.11/22

²⁰ vgl. „Voice over IP“@www.telemation.de