Integracja głosu i danych w sieciach pakietowych Transmisja głosu w sieci IP - Janusz Kleban Instytut Elektroniki i Telekomunikacji Politechnika Poznańska Zakres tematyczny: Zalety pakietowej transmisji głosu. Jakość przekazu w sieci pakietowej. Protokoły wykorzystywane do transportu głosu. Standardy: SIP i H.323. Praktyczna realizacja telefonii IP w sieciach LAN i WAN. Przykłady sprzętu firmy CISCO. 2 Argumenty za głosem w pakietach Publiczne sieci telefoniczne w obecnym kształcie nie są w stanie wystarczająco szybko reagować na potrzeby rynku odnośnie nowych usług. Obecnie tylko dostawcy sprzętu telekomunikacyjnego mogą rozszerzać funkcjonalność swojego sprzętu. Istnieje potrzeba stworzenia otwartej struktury sieciowej, w której niezależni producenci oprogramowania (usług) będą mogli dostarczać swoje rozwiązania do różnych modeli sprzętu. Obecna infrastruktura telekomunikacyjna nie może zapewnić integracji usług. 3
Argumenty za głosem w pakietach Komutacja kanałów nie zapewnia optymalnego wykorzystania pasma transmisyjnego. Dane zaczynają dominować w sieciach zbudowanych do transportu głosu. Transmisja głosu staje się jedną z wielu usług realizowanych w sieci telekomunikacyjnej. Opracowane zostały nowe algorytmy kompresji głosu, znacznie ograniczające zapotrzebowanie na pasmo transmisyjne, a jednocześnie zapewniające wysoką jakość odtwarzanych sygnałów głosowych. 4 Zalety pakietowej sieci telefonicznej Odporność na uszkodzenia dzięki równorzędności węzłów. Uszkodzony odcinek trasy pakietów zostaje automatycznie wyłączony poprzez komunikujące się ze sobą węzły. Zdolność do samoczynnego i optymalnego samokonfigurowania się. Eliminacja central telefonicznych, rozumianych jako gotowe produkty pochodzące od jednego producenta, na rzecz współpracujących ze sobą elementów pochodzących od różnych producentów. 5 Komutacja kanałów a komutacja pakietów Koncentrator Łącza międzycentralowe Centrala Telefoniczna TDM Pole komutacyjne Sterowanie połączeniami Usługi Sygnalizacja Utrzymanie Taryfikacja Warstwa aplikacji i usług Standardowy interfejs Warstwa sterowania połączeniami Standardowy interfejs Infrastruktura sieci pakietowej 6
Transmisja głosu w sieci pakietowej W ramach problematyki pakietowego przesyłania mowy dyskutowane są następujące standardy: VoATM (Voice over Asynchronous Transfer Mode), VoFR (Voice over Frame Relay), (Voice over Internet Protocol). 7 Jakość przekazu w sieci pakietowej 1. Gubienie pakietów: pakiety rzeczywiście utracone w sieci utrata jednego lub kilku pakietów i zastąpienie ich szumem nie jest tak uciążliwe jak przerwanie transmisji w przypadku retransmisji; pakiety docierające zbyt późno czas oczekiwania na pakiet jest ograniczony do pewnej wartości; pakiety z uszkodzoną zawartością, których odtworzenie wiązałoby się z przekazaniem nieprawdziwej treści; strata pakietów na poziomie 5% ma odczuwalny wpływ na pogorszenie konwersacji. 8 Jakość przekazu w sieci pakietowej 2. Długość pakietów: ma wpływ pośredni poprzez opóźnienia i straty pakietów; małe pakiety są mniej wydajne jeśli chodzi o stosunek pola danych do wielkości nagłówka, powodują mniejsze opóźnienia, ale generują większy ruch; duże pakiety są wydajniejsze pod kątem zawartości danych, powodują jednak większe opóźnienia; optymalna wielkość pakietów wynosi 30ms daje to minimalną stratność i małe opóźnienia. 9
Jakość przekazu w sieci pakietowej 3. Opóźnienie całkowite: źródła opóźnień stałych: kodowanie głosu (G.723.1 7,5 ms), tworzenie pakietu (G.723.1 15 ms x 2), odkodowanie danych w odbiorniku; źródła opóźnień zmiennych: opóźnienie sprzętowe związane z kolejkowaniem pakietów przed ich wysłaniem (nie powinno przekraczać 10ms), opóźnienie transmisji (25ms na 5000 km), buforowanie pakietów w kolejnych routerach, przetwarzanie nagłówków (10 do 20 ms na router). 10 Jakość przekazu w sieci pakietowej 4. Jitter zmienne opóźnienie: może powodować wycinanie części głosu w procesie dekodowania; zmiany opóźnień są redukowane przez bufor; duży bufor jest przyczyną dużych opóźnień, zbyt mały może być przyczyną strat pakietów; algorytmy adaptacyjne dopasowują wielkość bufora do aktualnych warunków; w zatłoczonych sieciach IP bufor może zwiększyć opóźnienie nawet o 100 ms. 11 5. Inne zjawiska: Jakość przekazu w sieci pakietowej degradacja głosu spowodowana kodowaniem; wycinanie głosu spowodowane niedostateczną szybkością działania mechanizmu VAD (Voice Activity Detection); generowanie szumu, gdy brak sygnału mowy CGN (Comfort Noise Generation). 12
Relacje źródeł opóźnienia i zakłóceń sygnału głosu w sieciach IP Kodek Zniekształcenia sygnału Transmisja Natłok Gubienie pakietów Opóźnienia Jakość głosu Routing Jitter 13 Standard G.711 G.727 G.728 ETSI, GSM G.729, G.729 A G.723 G.723.1 G.723.1 ETSI, GSM Kompresja PCM ADPCM LD-CELP RPE-LTP CS-ACELP MP-MLQ ACCELP VSELP Standardy kodowania głosu Wartość kompresji 1:1 2:1 4:1 4,9:1 8:1 10:1 10,16:1 12:1 11,4:1 Przepływność [kb/s] 64 32 16 13 6,4 6,3 5,3 5,6 8 Ocena jakości 4,4 4,2 nn nn 4,2 4,1 nn Zastosowania s. stacjonarne s. bezprzewod. różne zastosow. s. GSM, DCS płatne rozmowy długodystansowe jakość biznesowa s. komórkowe globalne IMT 14 Wpływ rodzaju komutacji i kompresji na transmisję danych Przepustowość Komutacja Przepływność po kompresji Max. liczba połączeń głosowych Dodatkowa przepustowość dla transmisji danych DS0 64kb/s DS0 DS0 E1 2Mb/s E1 E1 Kanałów Pakietów Pakietów Kanałów Pakietów Pakietów 64 kb/s 8 kb/s 5,3 kb/s 64 kb/s 8 kb/s 5,3 kb/s 1 8 12 30 256 386 0 kb/s 56 kb/s (1 poł. głos.) 58,7 kb/s (1 poł. głos.) 0 kb/s 1808 kb/s (30 poł. głos.) 1889 kb/s (30 poł. głos.) 15
Transmisja głosu w sieci IP ma ogromne znaczenie ze względu na rozwój technik internetowych, jest realizowana przez protokół UDP (User Datagram Protocol) przy wykorzystaniu zaproponowanego przez IETF (Internet Ingeneering Task Force) protokołu RTP (Real-time Transport Protocol) i RTCP (Real-time Transport Control Protocol), ograniczenia wielkości nagłówka dokonuje się za pomocą protokołu crtp (Compressed RTP). 16 Nagłówek stosu protokołów IP/UDP/RTP Wersja IHL ToS Długość datagramu Identyfikacja Flagi Przesunięcie fragmentu TTL Protokół Suma kontrolna nagłówka Adres IP nadawcy Adres IP odbiorcy Opcje Wypełnienie Adres portu źródłowego Adres portu docelowego Długość datagramu Suma kontrolna V P X CC M PT Numer sekwencyjny Znacznik czasu SSRC CSRC 17 Protokół crtp Przed kompresją: IP 20 bajtów UDP 8 bajtów RTP 12 bajtów Ładunek 20-160 bajtów Nagłówek Po kompresji: Nagłówek IP/UDP/RTP 2 bajty lub 4 bajty (z sumą kontrolną UDP) Ładunek 20-160 bajtów 18
Protokół crtp Wykorzystuje fakt, że dużo informacji zawartych w nagłówkach nie zmienia się przez cały czas trwania połączenia, a niektóre zmiany są stałe. Algorytm kompresji zapamiętuje i przechowuje dane o oryginalnym nagłówku pierwszego pakietu oraz o zmianie jaka zaszła między pierwszym i drugim pakietem (zmiana I rzędu), zarówno po stronie kodera jak i dekodera. Gdy zmiana II rzędu jest równa 0 dekoder potrafi zrekonstruować oryginalny nagłówek bez straty informacji przez dodanie zmiany I rzędu do zachowanego w pamięci oryginalnego nagłówka. 19 Protokół crtp crtp przesyła skomprymowane nagłówki przez 98% czasu transmisji, w pozostałych 2% czasu przesyłane są pełne nagłówki, aby zachować spójność informacji przechowywanych przez koder i dekoder. Wprowadza się CID Session Context Identifier. crtp zwiększa obciążenie procesora urządzenia obsługującego pakiety (np. routera). Nie opłaca się stosować crtp przy przepływnościach wyższych niż 2 MB/s. 20 Protokół RTCP Pozwala na stworzenie mechanizmu nadzorującego jakość transmisji realizowanej za pomocą RTP. Zapewnia istnienie kanału zwrotnego informującego o jakości transmisji, przekazującego informacje o przepływności sygnału, o istniejących zatorach. Przesyła 5 typów ramek: Sender Report, Receiver Report, Source Description, Bye, Application. Najważniejsze pola dla aplikacji to pola: znacznik czasu NTP, znacznik czasu RTP, licznik wysłanych pakietów, liczniki utraconych pakietów. 21
Przyszłość... abonenci/klienci IP Centrala telefoniczna Aplikacje, Usługi Operatorzy sieci IP Centrex xgcp Styk między operatorami SIP H.323 Centrala końcowa MGC IP / MPLS Sieć szkieletowa C7 PSTN Sieć korporacyjna IP V V M TDM PBX PBX MGW 22 Protokoły sygnalizacyjne dla telefonii IP Najważniejsze funkcje protokołów sygnalizacyjnych to: ustalenia położenia użytkownika w rozległej sieci pakietowej, dokonywanie translacji adresów telefonicznych i IP, ustanawianie i rozłączanie połączeń, negocjowanie parametrów dla zgłoszeń, zarządzanie połączeniami pochodzącymi od innych użytkowników np. w momencie tworzenia połączenia telekonferencyjnego. 23 Protokoły sygnalizacyjne dla telefonii IP Funkcje sygnalizacyjne wspomagające telefonię IP mogą być realizowane z wykorzystaniem, opracowanego przez ITU-T i wspieranego przez środowisko telekomunikacyjne, standardu H.323, lub opracowanego przez IETF protokołu SIP (Session Initiation Protocol). 24
Stos protokołów H.323 Conference management Media agents Conference set-up and discovery Audio Video H.225.0 RAS H.245 media control H.225.0 call signalling Data conference and application sharing T.120 G.711 G.723.1 G.729A H.261 H.263 RSVP RTP/RTCP UDP TCP IP and IP multicast Integrated services forwarding UDP 25 Architektura multimedialna IETF Conference management Media agent Conference setup and discovery Conference course control Audio/v ideo Shared applications SAP SIP SDP HTTP SMTP RSVP Distribution control RTP/ RTCP Reliable multicast UDP TCP UDP IP and IP multicast Integrated services forwarding 26 Protokół SIP (RFC 2543) jest protokołem sygnalizacyjnym działającym w warstwie aplikacji, został zaprojektowany do nawiązywania, utrzymania i rozłączania sesji multimedialnych, wspiera zarówno transmisję punkt-punkt, jak i multicast, może współpracować z innymi protokołami sygnalizacyjnymi np. H.323 i jest częścią infrastruktury multimedialnej tworzonej przez IETF, rozszerzenie funkcjonalności odbywa się poprzez rejestrację nowych nagłówków w Internet Assigned Numbers Authority. 27
Protokół SIP SIP wchodzi w skład grupy protokołów będących integralną częścią architektury multimedialnej IETF. Inne protokoły to: Resource Reservation Protocol, Real-Time Transport Protocol, Real-Time Streaming Protocol, Session Announcement Protocol, Session Description Protocol. 28 Protokół SIP SIP wykorzystuje pięć grup komunikatów: user location, user capability, user availability, call setup, call hendling. 29 Protokół SIP Dwa podstawowe komponenty w systemie SIP to: agenci użytkownika (user agents); serwery sieciowe (network servers). Strona wywołująca i wywoływana są identyfikowane przez adres SIP. 30
Agenci użytkownika SIP Aplikacja zawierająca dwa składniki: User-Agent Client inicjuje żądania SIP i pracuje jako agent wywołujący od strony użytkownika; User-Agent Server odbiera żądania i zwraca odpowiedzi w imieniu użytkownika; pracuje jako agent wywoływany od strony użytkownika. 31 Serwery sieciowe SIP Istnieją dwa typy serwerów SIP: Proxy server serwer pośredniczący pracuje w imieniu innych klientów i wykonuje funkcje zarówno serwera jak i klienta. Interpretuje oraz przepisuje nagłówki żądań zanim prześle je do innych serwerów, co zapewnia otrzymanie odpowiedzi dokładnie tą samą trasą. Redirect server serwer przekierowujący pomaga w znalezieniu użytkownika w sieci. Akceptuje żądania SIP i wysyła w odpowiedzi adres serwera aktualnie obsługującego użytkownika. 32 Adres SIP Adresy SIP nazywane również SIP URL (Universal Resource Locator) ma postać: user@host i jest bardzo podobny do adresu e-mail. Pierwsza część adresu może być nazwą użytkownika lub numerem telefonu, natomiast druga nazwą domeny lub adresem sieciowym. Przykłady: SIP: jkleban@et.put.poznan.pl SIP: 4085262222@171.171.171.1 33
Komunikaty SIP 1. Wyróżnia się dwa typy komunikatów: żądania - wysyłane przez klienta, odpowiedzi - wysyłane przez serwery. 2. SIP jest protokołem tekstowym o nagłówkach i syntaktyce identycznej jak HTTP. 3. Komunikaty SIP są przesyłane przez protokół TCP lub UDP. 34 Nagłówki SIP W nagłówku podawane są dane na temat abonenta wywołującego, wywoływanego, trasy pakietu i typu połączenia. Wyróżnia się cztery typy nagłówków: ogólne (general headers) dla żądań i odpowiedzi; dla segmentu (entity headers) zawierają informacje o zawartości komunikatu i jego długości; dla żądań (request headers) pozwalają na przekazanie dodatkowej informacji o żądaniu; dla odpowiedzi (response headers) - pozwalają na przekazanie dodatkowej informacji dot. odpowiedzi. 35 Żądania SIP Wyróżnia się sześć rodzajów żądań pozwalających na lokalizację użytkowników, zestawienie i utrzymanie połączenia: INVITE zaproszenie do uczestniczenia w sesji, rozpoznanie możliwości sprzętowych; ACK potwierdzenie nawiązania połączenia; OPTIONS pozwala na zebranie informacji o agentach i możliwościach serwerów; BYE rozłączenie połączenia; CANCEL odwołanie realizowanego żądania; REGISTER żądanie rejestracji w serwerze SIP. 36
Odpowiedzi SIP Odpowiedzi są przesyłane w reakcji na żądania. Informują o sukcesie lub porażce w nawiązywaniu połączenia oraz statusie serwera. Wyróżnia się następujące klasy odpowiedzi: INFROMATIONAL, SUCCESS, CLIENT-ERROR, SERVER-ERROR, GLOBAL FAILURE. 37 Standard H.323 H.323 Packet-Based Multimedia Communications System - jest standardem transmisji sygnałów audio, video i danych przez sieć IP. Najważniejsze komponenty standardu H.323: H.225 sygnalizacja; H.235 bezpieczeństwo i kryptografia; H.245 sterowanie kanałami logicznymi; G.711, G.722, G. 723, G. 728, G. 729 kodeki audio; H.261, H.263 kodeki video; T.120 współdzielenie danych konferencyjnych. 38 Elementy infrastruktury H.323 39
Terminal H.323 40 Bramy H.323 Brama (gateway) jest odpowiedzialna za połączenie urządzeń końcowych systemu H.323 z urządzeniami końcowymi sieci opartej na protokole SIP, sieci PSTN lub ISDN. Pomiędzy dwoma różnymi sieciami pakietowymi brama nie jest stosowna. Bramy realizują funkcje związane z translacją protokołów, formatu strumieni audio i video oraz wybrane funkcje sterowania połączeniem. Dzięki procesorom DSP brama może zapewnić przezroczystą komunikację między wszystkimi typami terminali głosowych. 41 Strażnik H.323 Strażnik (gatekeeper) umożliwia realizację złożonych usług. Nadzoruje proces przyjmowania nowych zgłoszeń i przebiegu połączeń. Jeśli w sieci występuje parę urządzeń tego typu to muszą się ze sobą komunikować, ale standard nie precyzuje sposobu komunikacji. Funkcje: translacja adresów, kontrola dostępu, kontrola przepływności, zarządzanie strefami. Opcjonalnie: obsługa sygnalizacji, autoryzacja rozmów, zarządzanie dzwonieniem. 42
Mostek konferencyjny MCU H.323 Mostek konferencyjny MCU (Multipoint Control Unit) koordynuje połączenia konferencyjne oraz połączenia typu multicast pomiędzy elementami sieci H.323. Kontroler MCU przy nawiązywaniu połączenia konferencyjnego transmituje warunki połączenia dla każdej stacji oraz nadzoruje ich przestrzeganie w trakcie trwania połączenia. Funkcje MCU mogą być pełnione przez osobne urządzenia w sieci lub być wbudowane w terminal, bramę czy strażnika. 43 Funkcjonalność stosu protokołów H.323 Trzy główne obszary sterowania: sygnalizacja RAS (Registration, Admission and Status) funkcje sygnalizacyjne poprzedzające zestawienie połączenia w sieci wykorzystującej gatekeeper; sterowanie połączeniami nawiązanie, utrzymanie i rozłączenie połączenia między punktami końcowymi; kontrola mediów i transportu dostarcza niezawodnego kanału H.245 przenoszącego komunikaty związane z mediami; transport jest realizowany przez zawodny strumień UDP. 44 Sygnalizacja RAS Jest wykorzystywana w sieci podzielonej na strefy, gdzie występują gatekeepery i realizuje tzw. funkcje przedrozmówne. Główne zadania to: rejestracja urządzeń w sieci; przyjmowanie nowych zgłoszeń i przydzielanie im pasma; zmiana przepustowości dla poszczególnych podłączeń; odłączenie urządzeń. 45
Sygnalizacja RAS grupy komunikatów 1. Wykrywanie gatekeepera realizowane w sposób ręczny lub automatyczny. 2. Rejestracja umożliwia urządzeniom sieciowym na dołączenie się do konkretnej strefy i poinformowanie gatekeepera o swoich adresach IP oraz aliasach. 3. Lokalizacja urządzenia końcowego komunikaty wykorzystywane do otrzymania numerów E.164, gdy znane są tylko alisy. 4. Przydzielanie pasma dla nowych połączeń i zmiana pasma w trakcie trwania połączenia. 5. Informacje o statusie urządzeń. 46 Typowa instalacja systemu Call Manager PBX Gateway PSTN 47 Proces nawiązania połączenia 1 1 4 IP WAN 2 6 Strumień RTP 3 4 5 PSTN 48
Realizacja telefonii IP Telefony IP posiadają adres warstwy 2 (MAC), za pomocą którego rejestrują się w aplikacji Call Manager, a potem otrzymują adres IP oraz pozostałe parametry: tryb pracy, numer telefoniczny, adres bramki. Telefon jest dołączony do sieci Ethernet i pracuje jako 2- portowy przełącznik: 1-port do podłączenia do sieci LAN, 2- port do przyłączenia komputera. Telefony wysyłają pakiety z ustawionym CoS na wartość 5. W sieci, w której zdefiniowano VLANy telefony pracują w tzw. Voice VLAN, a ruch komputerowy odbywa się poza tym VLANem. Telefon zajmuje się obsługą takiego podziału. 49 Podłączenie telefonów IP Voice VLAN = 110 Podsieć IP - B PC VLAN = 10 Podsieć IP - A Telefon IP 50 Zasilanie telefonów IP Za pomocą zasilacza zewnętrznego dołączonego do zasilania przeznaczonego dla stacji roboczych. Za pomocą specjalnych kart umieszczonych w przełącznikach, które dodatkowo doprowadzają zasilanie do telefonu (rozwiązanie własne CISCO przy zapewnieniu zgodności ze standardem IEEE 802.3af inline power). Za pomocą specjalnych paneli krosujących z zasilaniem (umieszczonych między przełącznikami a telefonami), gdy wykorzystywane są przełączniki bez funkcji zasilania. 51
Zalety telefonii IP Nie jest wymagana dla telefonii IP dodatkowa infrastruktura okablowania można wykorzystać istniejące okablowanie komputerowe. Przeniesienia aparatów IP wymagają jedynie zmian w konfiguracji Call Managera. Zmiany w tradycyjnej telefonii wiążą się ze zmianami w w infrastrukturze okablowania, rekonfiguracji centrali telefonicznej, zmian w numeracji. Możliwość wdrożenia dodatkowych aplikacji wspomagających funkcje telefonów IP. Telefony pracują w sieciach heterogenicznych, podczas gdy PSTN wymaga sieci homogenicznej. 52 Telefonia IP w sieci LAN - wymagania pełne okablowanie strukturalne 5 kat., węzły dystrybucyjne z szafami montażowymi 19, jednoznaczny i czytelny system oznaczeń tras, paneli, gniazd, urządzeń, aktualizowane na bieżąco schematy połączeń w szafach i na panelach, dedykowane zasilanie dla sieci komputerowej, podtrzymanie napięcia dla całej sieci lub dla jej newralgicznych urządzeń, topologia sieci powinna uwzględniać hierarchię (poziom szkieletu, dystrybucji, dostępu). 53 Telefonia IP w sieci LAN - wymagania jeden VLAN powinien tworzyć jedną podsieć IP, należy stosować mechanizmy DHCP, odpowiednia konfiguracja protokołu Spanning Tree, stosowanie modułów L3 w przełącznikach, dla ograniczenia domen broadcastowych, wydzielenie VLAN grupującego urządzenia obsługujące transmisję głosu, w celach niezawodnościowych należy stosować klastry Call Managerów: klastry obsługują do 10 tys. telefonów IP, pojedynczy Call Manager 2,5 tys. 54
Telefonia IP w sieci WAN - wymagania łącza dostosowane do rodzaju technologii, topologii i obsługiwanych przez nią usług, gwarantowane pasmo CIR dla połączeń PVC Frame Relay (minimum 64 kb/s w zależności od liczby jednoczesnych romów telefonicznych), stosowanie łączy zapasowych i równoległych, redundancja najbardziej krytycznych dla sieci lokalizacji, określone warunki i procedury współpracy z operatorem na wypadek problemów z łączami, 55 Telefonia IP w sieci WAN - wymagania w praktyce przyjmuje się, że suma pasm wymaganych przez: aplikacje, głos, transmisję video powinna stanowić około 75% całkowitego pasma łącza, jakie będziemy wykorzystywać, w sieciach CISCO stosuje się CODEKI G.729a ograniczenie pasma jednej rozmowy do 26 kb/s, a po zastosowaniu protokołu crtp do 12 kb/s. kontrola nad liczbą jednocześnie realizowanych rozmów realizowana przez mechanizm CAC implementowany w aplikacji Gatekeeper lub Call Manager, 56 Telefonia IP w sieci WAN - wymagania W celu zminimalizowania opóźnień zaleca się stosowanie w sieci WAN następujących technik: fragmentacja dużych pakietów przed wysłaniem i przeplatanie ich z małymi pakietami przenoszącymi głos, kształtowanie pasma w celu dopasowania prędkości wysyłania pakietów, aby druga strona połączenia mogła obsłużyć nadchodzącą transmisję bez kolejkowania ruchu w urządzeniach operatora, stosowanie kolejkowania LLQ (Low Latency Queuing) priorytetowe traktowanie pakietów z głosem oraz ograniczenie pasma zajmowanego przez rozmowy. 57
Odrębne wyspy w sieci WAN PSTN 58 Centralne sterowanie rozmowami w sieci WAN PSTN Oddział A Centrala IP WAN Oddział B 59 Rozproszone sterowanie rozmowami w sieci WAN PSTN Oddział A Centrala IP WAN Gatekeeper Oddział B 60