Voice over IP

Voice over IP?
Nahezu jeder Betrieb hat ein Netzwerk im Einsatz, doch große Betriebe mit mehreren
Niederlassungen haben diese einzelnen Netze über Standleitungen verbunden. Doch bisher
werden meist die Kapazitäten dieser Standleitungen nicht annähernd ausgenutzt.
Also was liegt näher, als über diese Standleitungen, die sowieso schon bezahlt werden, auch
mit den Niederlassungen zu telefonieren. Doch das ist nicht mit einfachen Telefonen möglich,
da diese Standleitungen eigentlich für reine Datenpakete genutzt werden.
Seit der Einführung des Standards IP 6, ist das jetzt auch realisierbar geworden, den bisher
war eins der größten Probleme die schlechte Sprachqualität, hervorgerufen, durch nicht
performante Leitungen und hohen Datenverlust.
Doch warum ist das so ein großes Thema und was läßt große Betriebe, wie Cisco Millionen in
die Forschung für VoIP stecken?
Das ZIEL des Kunden, Geld zu sparen, nämlich durch immense Kostensenkung bei
Telefonaten mit den Zweigstellen im In- und Ausland.
Seit einigen Jahren schon ist das Thema Voice Over IP in aller Munde. Bekanntester, aber
wenig populärer Ableger ist die Internet-Telefonie. Zwar läßt sich damit billig mit
Gesprächspartnern in der ganzen Welt telefonieren, diese müssen jedoch ebenfalls über ein
Internet-Telefon oder die entsprechende Software verfügen. Aber da der Datenstrom im
Internet unberechenbar ist und es keine Zustellgarantie für Datenpakete gibt, leidet die
Sprachqualität.
Im eigenen Firmennetz lassen sich Netzlast, Traffic, Laufzeiten und Verbindungswege jedoch
besser kontrollieren. Das ändert zwar nichts daran, daß IP an sich ausschließlich zur
Datenübertragung entwickelt wurde, das IP-Protokoll ist aber wesentlich flexibler als das.
IP Standard Version 6
Der neue IP-Standard Version 6, beinhaltet nicht nur mehr Sicherheit, sondern hat auch neue
Sub-Protokolle, die das Übertragen sogenannter zeitsynchroner Daten im IP-Netz
ermöglichen.
Bei den Datenpaketen kommt es nicht so sehr darauf an, in welcher Reihenfolge und mit
welcher Verzögerung sie übertragen werden. Der Empfänger speichert die eingehenden
Pakete und setzt sie wieder in der richtigen Reihenfolge zusammen. Wird ein Paket
beschädigt oder geht verloren, wird es erneut gesendet.
Das funktioniert nicht bei zeitsynchronen Daten (Sprache z.B.). Deshalb wurden in IP 6
folgende zwei neuen Sub-Standards implementiert:
Das Resource Reservation Protocol (RSVP)
Das RSVP (Resource Reserveration Protocol) erlaubt zwei Endpunkten einer Verbindung,
bestimmte Voraussetzungen auszuhandeln, darunter eine maximale Verzögerung (Delay) und
einen minimalen Durchsatz. Das IP-Netz garantiert mittels verschiedener Verfahren, daß
diese als Flowspec bezeichneten Quality of Service (QoS) eingehalten werden. Das bedeutet,
daß der Versendende informiert; meine Bandbreite (Durchsatz) muß 1 Mbps und meine
Verzögerung (Delay) darf maximal 200 msec sein. Die Netzwerkkomponenten überprüfen
dann, ob das möglich ist, oder machen es möglich, es wird quasi ein Vorbote geschickt, durch
den die Leitung nach diesen Richtlinien vorbereitet wird.
Am sichersten funktioniert das unter Verwendung des Guaranteed-Service-Verfahrens.
Hierbei wird anderer Traffic im Netz unterbunden, sobald dieser die Flowspec gefährden
könnte.
Diesem starren, aber effizienten Verfahren steht Controlled Load gegenüber. Hierbei dürfen
auch andere Stationen IP-Pakete solange senden, wie eine mittels Flowspec ausgehandelte
Verbindung keine Beeinträchtigung in den vorgegebenen Parametern feststellt.
Das letzte Verfahren bietet also mehr Dynamik und lastet das IP-Netz insgesamt besser aus.
Daher ist Controlled Load auch verbreiterter.
Ein weitläufiges Vorurteil ist, daß für Voice over IP Anwendungen bestimmte IP-Pakete mit
Sprachdaten mittels RSVP priorisiert werden. Das stimmt nicht. RSVP dient nur zum
Aushandeln und Überwachen der Verbindungsparameter. IP-Sprachpakete werden zwar in
den meisten IP-Netzen von Routern und Switches vorrangig behandelt, allerdings ist diese
Priorisierung meist herstellerabhängig und somit immer verschieden. Das birgt Probleme,
wenn Netzkomponenten unterschiedlicher Hersteller im IP-LAN Voice-Daten transportieren
soll.
Das Realtime Transport Protocol (RTP)
Dem soll RTP entgegenwirken. Jedes IP-Paket erhält seit IP 6 zusätzlich einen Zeitstempel
(Time Stamp) mit der Entstehungszeit, sowie eine Folgenummer (Sequence Information).
Dies erlaubt es dem Empfänger, Pakete nicht nur in richtiger Reihenfolge, sondern auch
zeitsynchron zusammenzusetzen. Das heißt, selbst wenn die Daten nicht in der richtigen
Reihenfolge eintreffen, kann die zeitliche Reihenfolge vom PC wieder hergestellt werden.
Das Real Time Control Protocol (RTCP) koordiniert zudem Sender- und
Empfängerprotokolle und sorgt für Monitoring und Management von Echtzeitverbindungen.
Außerdem definiert RTP die Kodierung von Audiosignalen nach G.711 sowie G.723. Hierbei
handelt es sich um Codecs (Coding/Decoding), die von der ITU zur analogen und digitalen
Verschlüsselung von Sprache in Telefonnetzen (PBX - Public Broadcasting Exchange)
definiert wurden.
G.711 entspricht in etwa dem ISDN-Standard, Sprachdaten werden mit einem Datenstrom
von 64 kbit pro Sekunde übertragen.
Für Voice over IP kommt G.711 nicht zum Einsatz, da sich die Datenlast durch zusätzliche
Komprimierung und bessere Abtastverfahren auf bis zu 9,6 kbps drücken läßt (GSMStandard). Verbreitet ist vor allem das CELP-Verfahren (Codebook Excited Linear Predictive
Coding), das mit einem komplizierten mathematischen Modell der menschlichen Sprache
arbeitet. Als Ergebnis entsteht ein Datenstrom von 16 kbit pro Sekunde, der Telefonate in
ISDN-Sprachqualität überträgt.
Kombiniert mit Dualrate Speech Coding, definiert im G.723-Standard, genügt sogar ein
Datenstrom von nur 5,3 kbps. Außer der geringeren Netzlast bringt dies den Vorteil, daß sich
mehr Pakete puffern lassen, ohne die Echtzeitbedingung zu gefährden. Die Qualität der
Sprachübertragung im IP-Netz wird also besser, je kleiner die Datenrate für einen
Sprachkanal ist
Ein weiterer wichtiger Standard für Voice over IP kommt vom Videoconferencing, H.323
umfaßt sowohl eine Codec-Technologie (wie G.723) wie auch die Signalisierung und
Verbindungssteuerung für Videokonferenzsysteme.
Der Standard der Echtzeitkommunikation (H.323)
Für IP-Telefonie wurden Teile des H.323-Standards übernommen. Über eine TCPVerbindung wird zwischen Sender und Empfänger das Signalisierungsprotokoll H.245
ausgehandelt. Dies zeigt eingehende Rufe an und übermittelt Statusinformationen. Die
Datenübertragung selbst erfolgt über UDP (User Datagram Protocol).
TCP-Pakete werden bei jedem Hop auf Fehler kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert,
beziehungsweise zurückgewiesen. UDP läßt diese Kontrolle aus, UDP-Pakete erreichen den
Empfänger also schneller. Dafür muß der sich selbst um Fehlerkorrektur kümmern.
Voice over IP kodiert hierfür entweder im selben Paket oder im Folgepaket Redundanz, aus
der sich ein beschädigtes Paket beim Empfänger reparieren läßt, womit ein erneutes Senden
defekter IP-Pakete vermieden wird.
Zusätzlich erfolgt die Verbindungssteuerung einer Sprachübertragung im IP-Netz nach H.323
mit einem Q.931-konformen Signalisierungskanal. Dieser steuert die Sprachverbindung und
ist für Funktionen wie etwa Makeln oder Rufnummernübermittlung zuständig.
H.320
H.321
H.322
H.323
H.324
1990
1995
1995
1998
1996
ISDN
ISDN
ATM
LAN
Guaranteed
bandwith
packet
switched
networks
Ethernet
PSTN
Pots
Analoges
Telefon
System
Video
H.261
H.263
H.261
H.263
H.261
H.263
H.261
H.263
H.261
H.263
Audio
G.711
G.722
G.728
G.711
G.722
G.728
G.711
G.722
G.728
G.711
G.722
G.728
G.723
G.729
G.723
Multiplexing
H.221
H.221
H.221
H.225.0
H.223
Control
H.230
H.242
H.242
H.230
H.242
H.245
H.245
Multipoint
H.231
H.243
H.231
H.243
H.231
H.243
H.323
Data
T.120
T.120
T.120
T.120
T.120
Comm.
Interface
I.400
AAL
I.363
I.400
&
TCP/IP
TCP/IP
V.34 Modem
EntstehungsDatum
Netzwerk
Welche Problem können auftreten?
Um Voice over IP im LAN einzuführen, müssen sämtliche Switches und Router die
entsprechenden Protokolle von IP 6 auf dem ISO/OSI-Level 3 unterstützen. Wichtig sind vor
allem die Verarbeitung von RTP sowie die Unterstützung von RSVP.
Für Konferenzen und Videodaten (die mittels der selben Verfahren wie Sprache übertragen
werden), wird außerdem das relativ neue IP-Multicast genutzt. Dabei kopiert eine
Netzkomponente einen eingehenden Datenstrom eigenständig und sendet ihn an alle
Empfänger weiter. Dies vermeidet zusätzliche Datenkanäle zwischen dem Ursprung der
Übertragung und jedem Empfänger. Statt dessen wird der Datenfluß an beliebiger Stelle im
Netz dupliziert.
Neuere Netzkomponenten wie Router und Switches von Cisco, Cabletron, Motorola oder Bay
Networks unterstützen durchweg die notwendigen IP-Protokolle für Voice-Übertragung.
Ältere Geräte müssen meist ausgetauscht werden oder lassen sich, wie beispielsweise bei
Motorola, per Firmware-Update auf Sprachübertragung aufrüsten.
Um den einzelnen Arbeitsplatz dann per LAN mit Telefonfunktionen zu versorgen, fehlt es
noch an entsprechenden Endgeräten. Mittlerweile gibt es erste Ethernet-Telefone. Diese
werden statt an eine Telefondose an eine RJ-45-Buchse eines Ethernet-Hubs angeschlossen.
Alternative hierzu bieten sich CTI oder Wandlerkarten an.
CTI und Wandlerkarten
Bei der Computer Telephony Integration (CTI) ist der Rechner das Telefon, ausgestattet mit
Soundkarte, Mikrofon und Telefonsoftware. CTI ist gerade im Call-Center oder für
Marketingaktionen beliebt, da der Computer als Telefon mehr Fähigkeiten besitzt als ein
eigenständiges Telefons.
Wer sich vom Telefon nicht trennen will, kann sich mit einem Wandler behelfen, als PCKarte oder externe Hardware stellt dieser einen Gateway zwischen einem analogen Telefon
und dem Ethernet-Port dar. Die digitale Kodierung und Kanalsteuerung übernimmt die
Zusatzhardware, das analoge Telefon wird an den PC angeschlossen.
Gatekeeper
Doch VoIP-fähige LAN-Komponenten und Ethernet-Telefon alleine genügen nicht, denn das
Telefon arbeitet mit Rufnummern, das Ethernet jedoch mit IP-Adressen. Die
Telefonnummern müssen also Netzadressen zugeordnet werden und umgekehrt. Dies
übernimmt die sogenannte Gatekeeper-Software.
Sie kontrolliert Sprachverbindungen, übersetzt IP-Adressen in Telefonnummern (Alias
Transition) und bildet mittels RAS-Diensten (Registration/Admission/Status) die Grundlage
für Accounting.
Viel wichtiger ist dieser Gatekeeper jedoch für den zweiten Schritt nach der LAN-Integration:
das Telefonieren nicht nur von LAN zu LAN, sondern von einem LAN in ein entferntes
Festnetz.
Ferngespräche zum Ortstarif (Gateways)
Gateways braucht man um eine Verbindung zwischen dem LAN und beispielsweise ISDN
oder einem analogen Telefonnetz herzustellen.
Hierzu werden die IP-Pakete dekodiert und als analoges oder ISDN-Signal auf eine
Telefonleitung übertragen. Aufbau und Verbindungsmanagement für die Telefonleitung
übernehmen entweder der Gateway oder eine konventionelle Telefonanlage.
So richtig interessant wird Voice over IP aber erst, wenn man gerade bei teuren
Fernverbindungen sparen kann.
Ein Unternehmen mit Firmensitz in Hamburg hat eine Niederlassung in München. Diese sind
durch eine IP-Standleitung gekoppelt. Mittels Voice over IP läßt sich die Standleitung nun
nicht nur für quasi kostenlose interne Telefonate zwischen den beiden Büros nutzen, darüber
hinaus übernehmen gute Gateways ein Leastcost-Routing sämtlicher Telefonate.
Anhand der Zielnummer erkennt die Software automatisch, daß ein Mitarbeiter in München
mit einem Kunden in der Nähe von Hamburg telefonieren will.
Das Telefonat wird nun intern über die WAN-Leitung bis Hamburg geroutet und erst dort
vom Gateway in das öffentliche Telefonnetz übermittelt.
Nahtarif statt Ferngespräch, über eine Ferndistanz, daraus folgt wir sparen massiv Kosten ein.
PC-Arbeitsplatz
Ethernet
PC-Arbeitsplatz
Ethernet
Router
Standleitung
Router
Für teure Auslandsverbindungen und einer ausländischen Zweigstelle lohnt es sich sogar, eine
vorhandene Inhouse-Telefonanlage mittels Gateway Voice-over-IP-fähig zu machen. Interne
Telefonate könnten dann normal über die vorhandenen TK-Leitungen abgewickelt werden,
während Auslandsgespräche gezielt über WAN-Verbindungen laufen.
Einziges Problem: Telefon- und Nebenstellenanlagen gibt es viele, und die verwendeten
Signalisierungsprotokolle (Q-SIG) sind sehr unterschiedlich. Daher muß ein Gateway auf jede
TK-Anlage einzeln angepaßt werden.
Fazit für die Unternehmen
Für den Einsatz im Unternehmen lohnt sich VoIP dann, wenn man im WAN-Bereich
Standleitungen hat und somit im Ferntarif, oder möglicherweise sogar im
Überseetarif sparen kann.
Die Technologie scheint mittlerweile weitgehend ausgereift, und Standardprotokolle
sind durch IP 6 gegeben.
Eine Herausforderung ergibt sich durch neue Schnittstellen und neue
Konkurrenzsituationen vor allem für die Hersteller. So tasten sich Netzspezialisten
wie Cisco erfolgreich in die Welt des Telefonierens vor. Dagegen kommen TKAnbieter wie Nortel Dasa oder Motorola mehr und mehr auf den Geschmack des
Networking und versuchen auch in diesem Markt Fuß zu fassen.