MARCIN GROCHALA WOJCIECH ZABIEROWSKI ANDRZEJ NAPIERALSKI Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej THE ASTERISK AN ALTERNATIVE FOR COMMERCIAL SOLUTIONS Streszczenie W artykule została podana definicja technologii VoIP, powód jej wdrożenia oraz zasadę działania. W dalszej części zaprezentowano sposoby, które umożliwiają korzystanie z tej technologii. W ostatniej części został zaprezentowany program Asterisk, który daje możliwość samodzielnego zaprogramowania centrali do telefonii IP, a także fragment kodu, który jest jedynie fundamentem do dalszej rozbudowy centrali. Przykład zawarty w tym artykule obejmuje jedynie dwóch użytkowników, którzy mają możliwość komunikacji jedynie między sobą. 1. VoIP definicja. Nie ma jednoznacznej definicji, zawierającej informacje na temat czym jest VoIP. Najlepszą definicją tej technologii to Usługa VoIP polega na stworzeniu cyfrowej reprezentacji sygnału mowy, poddaniu go odpowiedniej kompresji i podzieleniu na pakiety. Taki strumień pakietów jest następnie przesyłany za pomocą sieci pakietowej ( ) wraz z innymi danymi pochodzącymi np. od komputerów. W węźle odbiorczym cały proces jest odtwarzany w odwrotnym kierunku, dzięki czemu otrzymujemy normalny sygnał mowy [1]. Definicja powyższa jest jedynie uogólnieniem, gdyż w rzeczywistości obejmuje ona także możliwość przesyłania obrazu wideo oraz danych w czasie rzeczywistym. Popularne staje się pojęcie whiteboarding, które także jest częścią tej technologii, a umożliwia ono przesyłanie tekstu czy etapów rysowania rysunków w czasie rzeczywistym. Ta technologia jest popularna zwłaszcza w nauczaniu przez Internet (e-learning). 2. Historia VoIP i powody jej popularności. Wysokie koszty rozmów narzucane przez firmy telekomunikacyjne, a także brak możliwości integracji przekazywania dźwięku z danymi sprawiły, iż firmy zaczęły szukać innych rozwiązań. Wraz z pojawieniem się Internetu na rynku pojawiły się nowe technologie, które w dużym stopniu zwiększyły ilość informacji przekazywanych w jednostce czasu, a wiadomo, że to właśnie informacja jest najcenniejsza w dzisiejszych czasach. Idea technologii VoIP pojawiła się w połowie lat dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku. Koła naukowe podjęły badania, zajmujące się transmisją danych w sieci w czasie rzeczywistym. Główna idea tego rozwiązania istnieje praktycznie od początków istnienia Internetu, jednakże ówczesna technologia sieciowa nie była w stanie przenosić dźwięku, ze względu na słabą przepustowość sieci. Innym powodem, który zainicjował pojawienie się tej technologii jest ilość możliwych usług, które ta technologia może zaimplementować. Dostawcy usług telekomunikacyjnych czerpią ogromne profity z wszystkich dodatkowych usług, które oferują. Przykładem może być poczta głosowa, czy też identyfikacja dzwoniącego. Technologia VoIP, dzięki wykorzystaniu Internetu sprawiła, iż w zasadzie wystarczy program obsługujący tą technologię i centrala - która mieści się u usługodawcy. Wszystkie pozostałe usługi są w zasadzie darmowe. Niektóre firmy wprowadziły usługę nielimitowanych rozmów na telefony stacjonarne, nawet na rozmowy zagraniczne, a jedyną opłatą jest abonament miesięczny. 3. VoIP zasada działania Inną zaletą technologii VoIP jest to, iż wykorzystuje ona już istniejące standardy, opisujące strukturę sieciową. Najpopularniejszym z nich jest standard OSI. Jednak aby rozmowy były przekazywane w sieci konieczne było zastosowanie protokołów sygnalizacyjnych, a ich główne zadania to: odnajdywanie użytkowników w sieci, sprawdzanie ich dostępności, możliwości, zestawianie połączeń, nadzór i kończenie sesji. Konieczne było zaimplementowanie algorytmów odpowiedzialnych za kompresję i dekompresję ludzkiej mowy, a także poprawiających jakość rozmów. Są one popularnie zwane kodekami. Na poniższym rysunku znajduje się stos protokołów wykorzystywanych do rozmów VoIP. Rysunek 1 Stos protokołów wykorzystywanych przez VoIP [3] Jak widać na powyższym rysunku, do rozmów IP wykorzystywane są standardowe protokoły sieciowe. Protokół TCP jest wykorzystywany głównie przez protokoły sygnalizacyjne (SIP, Megaco, MGCP, H.323, IAX) do przekazywania komunikatów, które
M.Grochala, W.Zabierowski, A.Napieralski służą ustanowieniu połączenia, jego nadzoru a także do kończenia sesji. Dlaczego akurat TCP? Protokół ten jest protokołem połączeniowym, co oznacza, że po otrzymaniu jakiegokolwiek pakietu, wysyłane jest potwierdzenie, iż dotarł on do celu. W wypadku gdy pakiet zaginie, lub po osiągnięciu celu okaże się, że względu na retransmisje. Generalnie dopuszcza się w technologii VoIP opóźnienia sięgające 2000ms. Dopuszczalne są także pewne straty w pakietach z głosem, wówczas stracony pakiet jest zastępowany informacją zawartą w poprzednim datagramie. Długość dźwięku, który jest zawarty w datagramie mieści się w przedziale od 10 do 30 milisekund. Protokołem, który idealnie nadaje się do transmisji dźwięku przez sieć jest UDP. Jest to protokół bezpołączeniowy, co oznacza iż nie są wymagane żadne potwierdzenia dotyczące dostarczonych pakietów. Dzięki temu protokół ten jest fundamentem jeżeli chodzi o rozmowy IP. Wadą jest to, iż nie zapewnia on sekwencjonowania ramek, czyli istnieje niebezpieczeństwo dostarczenia datagramów w niewłaściwej kolejności. Ponieważ informacje przepływające przez sieć muszą pokonać wszystkie siedem warstw modelu odniesienia OSI, problemem sekwencji ramek zajmuje się protokół RTP, a nadzoruje go RTCP. Poniższy rysunek ilustruje w jaki sposób są przekazywane informacje za pomocą protokołu H.323. zawiera błędy, wysyłane jest do nadawcy żądanie informujące o konieczności retransmisji. Ze względu na to iż rozmowy w czasie rzeczywistym wymagają małych opóźnień, pakiety zawierające dźwięk nie mogą być transportowane przez TCP, głównie ze 4. W jaki sposób korzystać z tej technologii, czy Asterisk stanowi konkurencję dla komercyjnych rozwiązań? Istnieje wiele sposobów na korzystanie z technologii VoIP. Najprostszym z nich to wykupienie numeru telefonicznego od dostawcy usługi i prowadzenie rozmów za pomocą specjalnego programu, tzw. softphonu. Dobrze znanym przykładem może być program Skype. Zaletą tej usługi jest brak konieczności zakupu dodatkowego sprzętu, wystarczą jedynie słuchawki i mikrofon, wadą jest konieczność pozostawienia włączonego komputera jeżeli się chce wykonywać i odbierać połączenia. Drugim rozwiązaniem jest zakup bramki VoIP. Włącza się ją bezpośrednio do gniazdka, w którym jest Internet, konieczne jest w tym przypadku także wykupienie odpowiedniego pakietu od dostawcy Internetu. Istnieją różne rodzaje bramek. Może to być pewnego rodzaju rozgałęźnik, do którego gniazd podłącza się komputer, fax oraz telefon analogowy. Przykład takiego rozwiązania znajduje się na rysunku poniżej. Rysunek 2 Przykładowe połączenie w trybie bezpośrednim Jedynie kolorem czarnym zaznaczony jest etap, w którym transportowane są pakiety z dźwiękiem. Pozostałe etapy to polecenia, które służą odnalezieniu punktu docelowego w sieci, negocjacja warunków połączenia (wybór kodeka do transmisji), w tym etapie ma także miejsce wysłania sygnału dzwonienia, otwarcie logicznego kanału, itp. Po zakończeniu rozmowy protokół sygnalizacyjny inicjuje jej koniec. Rysunek 3 Sposób podłączenia bramki VoIP [4] Wygodą tego rozwiązania jest to, iż komputer nie musi być włączony przez cały czas. Dodatkowym atutem jest fakt, iż niektóre bramki są rozmiarów niewiele większych od pudełka zapałek. Ich konfiguracja odbywa się albo za pośrednictwem oprogramowania lub poprzez stronę www. Bramka
może także być zintegrowana z telefonem. Zaletą rozwiązania jest stosunkowo niski koszt, jednak wraz ze wzrostem liczby portów cena wzrasta i w przypadku większych firm warto zastanowić się nad zakupem centrali. Na rynku pojawiły się także telefony IP, które podłącza się do portu USB. Dla dużych firm najlepszym rozwiązaniem jest zakup gotowej centrali. Rozwiązania tego typu posiadają gniazda umożliwiające podłączenie centrali bezpośrednio do sieci publicznej. Oczywiście musi istnieć także przyłącze do Internetu. Poza tym taka centrala posiada wiele portów umożliwiających podłączenie telefonów analogowych. Wewnątrz centrali można dowolnie definiować numery telefonów dla pracowników firmy. Można wykupić od dostawcy standardowej telefonii jeden lub więcej numerów zewnętrznych. Niestety takie rozwiązania są bardzo kosztowne, jednak zaletą jest możliwość uaktywniania usług takich jak poczta głosowa, przekierowania połączeń, Music On Hold itp. Trzeci sposób to zaprogramowanie takiej centrali samodzielnie. Specjalnie do tego celu został napisany program Asterisk. Asterisk jest oprogramowaniem Open Source służącym do uruchomienia PBX (Private Branch exchange). PBX to centrala telefoniczna będąca własnością użytkownika, zwykle przedsiębiorstwa, w przeciwieństwie do standardowych central, będących własnością operatora telekomunikacyjnego lub operatora sieci. Użytkownicy PBXa wspólnie użytkują kilka linii zewnętrznych do połączeń poza centralą. [4] Open Source oznacza, iż wszystkie programy tego typu mają otwarte źródła, czyli każdy może je w dowolny sposób modyfikować, a całe oprogramowanie jest darmowe i powszechnie dostępne. Program ten może być uruchomiony na niemal każdej platformie systemowej, a jego możliwości są niemal nieograniczone. Jego otwarta struktura sprawia, iż niemal z dnia na dzień programiści uzupełniają ten program o dodatkowe funkcje. Właściwie nie ma funkcji, której Asterisk by nie posiadał, a którą posiada jakakolwiek centrala. Wadą jest to, iż do obsługi kilkunastu połączeń konieczne jest posiadanie serwera wieloprocesorowego lub wielu procesorów połączonych ze sobą, a jest to spowodowane ilością funkcji, jakie obsługuje ta centrala, a także ilością operacji, jakie procesor musi wykonać w jednostce czasu. Podstawową jest translacja z jednego kodeka na inny. Kolejną zaletą, która także zużywa dużo zasobów systemowych jest translacja protokołów sygnalizacyjnych. Jednak wielu producentów wraz ze sprzętem często dostarcza pliki konfiguracyjne, które umożliwiają obsługę tego sprzętu przez centralę. Przykładem może być umieszczona na poniższym rysunku karta analogowa. Rysunek 4 Karta analogowa TDM400P [5] Posiada ona 4 porty, które można przeznaczyć albo na podłączenie linii zewnętrznej od dostawcy tradycyjnej telefonii, albo na podłączenie telefonu analogowego lub obu naraz, a tym samym umożliwienie wykonywania połączeń poza centralę, gdyż w zasadzie sama centrala nie musi być podłączona ani do Internetu, ani do jakiejkolwiek sieci, a użytkownicy, którzy zostali zdefiniowani w centrali będą mogli wykonywać rozmowy między sobą, jednak jest to praktycznie bezużyteczne rozwiązanie. Ponadto Asterisk obsługuje różne bazy danych, a także istnieje możliwość obsługi programu przez stronę www, lub poprzez program napisany np. w Javie choć może być także inny program. Jest to tzw. Asterisk Gateway Interface (AGI), od tej nazwy bierze się pojęcia AGI Scripts. Takie rozwiązanie znacząco upraszcza obsługę tego programu. Asterisk czy obsługa jest trudna? W przypadku omówionym w tym opracowaniu platformą na której został zainstalowany program Asterisk był Linux Debian. Cała trudność obsługi programu polega na tym, iż koniecznością jest praca w środowisku tekstowym, co sprawia, iż administracja większą ilością użytkowników jest utrudniona, a czasami nawet niemożliwa. Zadanie ułatwiają wspomniane wyżej Skrypty AGI. Umożliwiają one m.in. nadzór nad użytkownikami centrali, czy też wprowadzenie systemu bilingowego. Oczywiście to są tylko przykładowe funkcje Przykładem jest program, którego interfejs znajduje się poniżej.
M.Grochala, W.Zabierowski, A.Napieralski Na powyższym rysunku znajduje się schemat ideowy prostego zastosowania centrali VoIP opartej na programie Asterisk. W centrali Asterisk znajduje się jedynie karta sieciowa i żadne dodatkowe urządzenie nie zostało wykorzystane. Użytkownicy Marcin i Marcin_iax korzystają z jednej sieci. Do komunikacji wykorzystują oni softphony. Użytkownik Marcin korzysta z protokołu sygnalizacyjnego SIP, natomiast Marcin_iax z IAX.. Powyższy schemat jest najprostszym rozwiązaniem. Dwaj użytkownicy mają umożliwione wykonywanie połączeń jedynie wewnątrz sieci, w której się znajdują. Aby umożliwić im komunikację dokonano następujących wpisów w plikach iax.conf, sip.conf, oraz extensions.conf. iax.conf: Rysunek 5 Graficzny interfejs do obsługi programu Asterisk [6] Całą konfigurację programu Asterisk podzielono pomiędzy kilkanaście plików konfiguracyjnych. Ich lista znajduje się na poniższym rysunku. [general] port = 4569 bindaddr=0.0.0.0 [marcin_iax] disallow=all allow=all type=friend username=marcin_iax secret=marcin_iax host=dynamic context=wewnetrzne sip.conf: [general] bindport=5060 bindaddr=0.0.0.0 Rysunek 6 Pliki konfiguracyjne programu Asterisk W przypadku omówionym w tym artykule zostaną wykorzystane cztery z nich, a są to następujące pliki o rozszerzeniu.conf: extensions, sip, iax. Centrala Asterisk Marcin Marcin_ia x [marcin] type=friend username=marcin secret=marcin qualify=yes nat=yes host=dynamic canreinvite=no disallow=all allow=all callerid=ktos<100> context=wewnętrzne W tych dwóch plikach znajdują się zdefiniowani użytkownicy. W każdym z nich znajduje się sekcja [general] dotycząca opcji, które będą dotyczyły wszystkich użytkowników. Opcja port definiuje port TCP przez który będą nadawane komunikaty z sygnalizacją, a bindaddr=0.0.0.0 oznacza iż wszystkie karty sieciowe podłączone do centrali będą wykorzystywane do ruchu VoIP. Aby określić jedną, należy podać jej adres IP. W sekcjach [marcin] oraz [marcin_iax] są już zdefiniowani użytkownicy.
Ważniejsze linie z tych plików to disallow i allow, które oznaczają iż program samodzielnie dobierze kodek do kodowania głosu. Można także podać nazwę konkretnych kodeków, np. disallow=all, allow=ulaw. W tej sekcji następuje także podanie hasła i nazwy użytkownika wykorzystywanej przez komunikator. Sekcja context=wewnetrzne wskazuje miejsce w pliku extensions.conf, w którym zostaną przypisane numery wewnętrzne tymże użytkownikom, jest to serce programu i w nim zawarty jest cały plan połączeń.. Poniżej znajduje się zawartość pliku extensions.conf: [general] [globals] MARCIN = SIP/marcin PIOTREK = SIP/piotrek użytkownikiem Marcin_iax. Opcjonalnymi składnikami widocznymi w przykładzie jest czas oczekiwania na połączenie, po którym nastąpi rozłączenie. Dodatkowo, dzięki opcji m zostanie uruchomiona aplikacja Music On Hold, która podczas próby nawiązania połączenia osoba dzwoniąca będzie w słuchawce słyszała nagranie w formacie mp3 (konieczne jest także dokonanie odpowiedniego wpisu w pliku musiconhold.conf, który wskaże katalog z nagraniami mp3) Poniżej zestawiony jest przebieg połączenia pomiędzy użytkownikiem Marcin i Marcin_iax: Rysunek 7 Pprzebieg przykładowego połączenia [wewnetrzne] exten => 100,1,Dial(${MARCIN},10,m) exten => 1111,1,Dial(IAX2/marcin_iax@marcin_iax,10,m) Plik ten również rozpoczyna się od sekcji [general], w której można podać wartości globalne dla ewentualnych opcji. Sekcja [globals] zawiera pewne wartości globalne, które wprowadza się w celu ułatwienia wpisów w planie połączeń. Stała MARCIN zawiera protokół, który jest używany przez użytkownika Marcin. W wypadku braku tejże sekcji konieczne jest używanie wartości po prawej stronie znaku równości. Plik ten można podzielić na kilka elementów : konteksty, numery wewnętrzne, priorytety i aplikacje. Konteksty są najważniejszym elementem planu połączeń. Dają one możliwość odseparowania poszczególnych elementów planu połączeń. Konteksty zapisywane są w nawiasie kwadratowym, i dają one możliwość skonfigurowania planu połączeń dla dwóch firm w jednym serwerze. Firmy te mogą posiadać identyczny plan numeracji, a dzięki użyciu kontekstów nie będą wprowadzane żadne konflikty w przypadku wykonywania połączeń.. Kontekst rozpoczyna się od podania nazwy w nawiasie kwadratowym, a jego koniec następuje wraz z podaniem nazwy następnego kontekstu, odnoszącego się np. do innej firmy. Wewnątrz kontekstów definiowane są numery wewnętrzne. Określają one w jaki sposób będą przepływały informacje. Warto od razu wspomnieć o priorytetach i aplikacjach. Te pierwsze dają możliwość ustalenia kolejności wykonywanych poleceń dla danego numeru wewnętrznego, natomiast aplikacje są programami, które są uruchamiane w momencie gdy działanie programu przejdzie do kolejnego priorytetu. Czyli użytkownikowi Marcin został przypisany numer 100, a użytkownikowi Marcin_iax numer 1111. Jeżeli np. użytkownik Marcin wykręci numer 1111, uruchomiona zostanie aplikacja Dial, której zadaniem jest ustanowienie połączenia z Widać tutaj kto nawiązuje połączenia, a także kto jest wywoływany. Określony jest także rodzaj kodeka (ulaw), oraz kto zakończył połączenie. Dzięki zastosowaniu priorytetów możliwe jest uruchomienie innej aplikacji, np. wpis exten => 100,1,Dial(${MARCIN},10,m) exten => 100,2,DateTime() Sprawi, iż po zakończeniu próby nawiązania połączenia zostanie uruchomiona aplikacja DateTime, która uruchamia automatyczną sekretarkę, która poinformuje osobę o bieżącej dacie i godzinie. Aplikacji jest bardzo dużo. Jedną z nich jest choćby VoiceMail. Uruchamia ona usługę poczty głosowej, którą trzeba także skonfigurować w pliku voicemail.conf. Warto zwrócić uwagę na tą aplikację. Można tą funkcję w taki sposób skonfigurować, aby nagranie na poczcie głosowej było wysłane w załączniku na zdefiniowany wcześniej adres email, oraz wysłać potwierdzenie o tej wiadomości na pager posiadacza tejże skrzynki. Aby można było korzystać z połączeń do sieci telefonii publicznej i GSM, konieczne jest wykupienie abonamentu od dostawcy usługi VoIP ( oczywiście istnieje sprzęt, który umożliwia bezpośrednio podłączenie sieci publicznej do centrali ). Należy dokonać wówczas odpowiednich wpisów w plikach konfiguracyjnych, które zazwyczaj podane są na stronach dostawców usługi. 5. Podsumowanie Program Asterisk stanowi poważną konkurencję dla rozwiązań komercyjnych. Dzięki temu programowi w USA powstało wiele firm świadczących usługi telekomunikacyjne, które swoje rozwiązania oparły właśnie o program Asterisk. Jednak dla firm, które dysponują dużymi nakładami finansowymi nie ma znaczenia czy zakupią one gotowe rozwiązanie, czy
M.Grochala, W.Zabierowski, A.Napieralski zaprogramują samodzielnie taką centralę i często decydują się na gotowe rozwiązanie, gdyż w razie problemów zawsze mogą liczyć na pomoc producenta. Gotowe rozwiązania nie mają takiego potencjału jaki posiada Asterisk, gdyż liczba funkcji w gotowych rozwiązaniach jeszcze długo nie będzie tak wielka. Asterisk przewyższa komercyjne rozwiązania tym, iż jest to całkowicie darmowy program, do którego źródeł ma każdy dostęp i może je modyfikować według własnych potrzeb, a sama konfiguracja, wbrew pozorom nie jest aż tak trudna, gdyż istnieją programy, które sprawiają, iż konfiguracja Asteriska może odbywać się intuicyjnie dzięki graficznemu interfejsowi. Oczywiście można taki program samodzielnie napisać w dowolnym języku programowania. Ważnym elementem jest także system bilingowy, który także jest obsługiwany przez program Asterisk. Problemy związane z technologią VoIP dotyczą głównie przepustowości sieci, jednak bardzo szybko ulega to zmianie na lepsze, a technologia VoIP powoli, ale systematycznie zaczyna wypierać tradycyjną telefonię mino, iż jakość połączeń bywa czasami gorsza. Powodem tego są niskie koszty połączeń oraz ilość usług i rodzajów informacji jakie mogą być przesyłane przez sieć IP.
LITERATURA [1] R. Wrocławski VoIP czyli tanie gadanie http://www.fkn.pl/artykuly/artykul/ida 231/ids 1 18-09-2005 [3] Program Intoduction to Voip Elearning - Computer Based Training http://www.cameroncom.com/voipintro.php [4] Definicja pojęcia PBX http://pl.wikipedia.org/wiki/pbx [5] http://www.marlow.dk/images/asterisk/tdm400pfxo-small.jpg [6] AGI http://tgb.org.uk/talks/foss2005/voip/asternic- FOP.png MARCIN GROCHALA marcin_grochala@op.pl WOJCIECH ZABIEROWSKI wojtekz@dmcs.p.lodz.pl ANDRZEJ NAPIERALSKI napier@dmcs.p.lodz.pl Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechnika Łódzka 93-590 Łódź, Al. Politechniki 11 tel. (42) 631 26 45, fax. (42) 636 03 27