ing. W.J. Roos (EPN) VOIP-theorieboek 1

Voice over IP (VOIP) Inleiding Veel bedrijven hebben gescheiden netwerken voor het afhandelen van spraak-, data- en videoverkeer. Netwerkbeheerders moeten componenten binnen deze netwerken op verschillende manieren installeren en configureren. VOIP maakt het mogelijk om spraak-, data- en videoverkeer te laten plaatsvinden via hetzelfde LAN, WAN en internet. Het beheer van netwerken binnen bedrijven zal hierdoor op lange termijn eenvoudiger worden en minder tijd vergen.

Traditional Telephony

IP Telephony IP-telefonie Voice, Data, Video Integration

traditionele telefonie

Spraak-, data- en video-integratie

PBX or PSTN

Fax

PBX

Public switch Fax

Data Communication

Fax

datacommunicatie

Corporate LAN, WAN, or Internet Corporate LAN, WAN, or Internet

media

Media samenConvergence

voegen IP Router

Server IP Router

Video Distribution video-distributie

Fax

UHF/VHF Broadcast Server

Cable

Microwave

Figuur 1 VOIP IP-telefonie biedt de gebruiker een aantal voordelen, zoals: * lagere onkosten voor audio- en video-verkeer; * betere programma’s voor video conferencing, het delen van applicaties via een computernetwerk en leren op afstand. Verschillende organisaties ontwikkelen standaarden voor IP-telefonie. ITU heeft de H.323standaarden opgesteld voor netwerken die een lage netwerkdienst leveren. In vakliteratuur wordt de term netwerkdienst omschreven met Quality of Service (QoS). In de H.323-standaarden zijn protocollen, methoden en netwerkcomponenten beschreven om verbindingen te realiseren tussen H.323-gebruikers.

© ing. W.J. Roos (EPN) VOIP-theorieboek

1

1 H.323-netwerkcomponenten Onderstaande componenten zijn gespecificeerd voor het in stand houden van point-to-point- en multipoint-verbindingen: 1. 2. 3. 4.

terminal; gateway; gatekeeper; multipoint control unit (MCU).

Figuur 2 H.323-componenten H.323-terminal Een H.323-terminal is een computer of een apparaat die we minimaal gebruiken voor interactieve (real time) audio-communicatie. Daarnaast ondersteunt een H.323-terminal real time video- en/of datacommunicatie. De primaire doelstelling van de ITU is dat H.323-terminals kunnen communiceren met andere type multimedia-terminals. In tabel 1 staat een overzicht van terminals waarmee een H.323terminal kan communiceren.


2

Tabel 1 Multimedia-terminals voor H.323-communicatie standaard H.310 H.320 H.321 H.322 H.324

toepassingsgebied multimedia-terminals Breedband ISDN-netwerk ISDN-netwerk Breedband ISDN-netwerk LAN’s met een hoge QoS draadloos netwerk

Gateway Een gateway koppelt een H.323-netwerk aan een netwerk waarbinnen de terminals de H.323standaarden niet ondersteunen. Op deze manier kunnen H.323-terminals communiceren met andere terminals zoals bijvoorbeeld telefoons. Taken die een gateway uitvoert, zijn: a) Protocollen converteren die nodig zijn voor het opbouwen, in standhouden en verbreken van een verbinding. b) Spraak-, audio-en video-paketten converteren en vervolgens doorsturen naar een ander netwerk.

A ne Zo

Figuur 3

Zo ne B

Gatekeeper Een gatekeeper is het hart van een H.323-zone. Een zone omvat H.323-terminals, gateways en MCU’s die een gatekeeper beheert. Per zone is één gatekeeper aanwezig. Het netwerk in figuur 3 bestaat uit twee zones.

Meerdere zones

Voor de communicatie tussen H.323-terminals hebben we niet perse een gatekeeper of gateway nodig. Indien een gatekeeper aanwezig is, moeten H.323-terminals gebruik maken van de


3

gatekeeper. Diensten die een gatekeeper levert, zijn: a) Een database bijhouden waarin de namen van H.323-terminals/gebruikers staan en de bijbehorende IP-adressen. Aan de hand van deze database routeert een gatekeeper de oproep naar de geadresseerde H.323-terminal. b) Beschikbare bandbreedte beheren. c) Kosten bijhouden van een H.323-verbinding.

Afbeelding 1 Gatekeeper-parameters in H.323-terminal Multipoint Control Unit Een MCU biedt ondersteuning voor een sessie tussen drie of meerdere H.323-terminals. Alle terminals die deelnemen aan de conferentie maken verbinding met de MCU. Een MCU beheert sessiebronnen en onderhandelt met terminals over (de)coderingstechnieken die terminals toepassen voor audio- en video-verkeer.


4

1.1 Internet Locator Service (ILS) De meeste hosts in een IP-netwerk krijgen van een DHCP-server tijdelijk een IP-adres in bruikleen. Dit is een gecompliceerde factor bij IP-telefonie. Het IP-adres van een H.323-gebruiker verandert voortdurend. Een netwerkbeheerder lost dit probleem op door gebruik te maken van een dynamische ILS-directory-server, wanneer een gatekeeper ontbreekt. Onderstaand voorbeeld toont aan hoe een ILS-directory-server functioneert. a) De audio/video-applicaties van willem geeft het IP-adres door aan de ILS-server. Deze server zet de gegevens van willem en het bijbehorend IP-adres in een database.

Figuur 4 Adresgegevens toevoegen aan database Gegevens in de ILS-directory-database hebben een bepaalde levensduur (Time to Live) . Een ILS-server is verantwoordelijk voor het regelmatig actualiseren van de databasegegevens. Dit gebeurt op basis van het Lightweiht Directory Access Protocol (LDAP). b) H.323-gebruiker fred wil met gebruiker willem communiceren en vraagt de gegevens van willem op bij de ils-directory-server.

Figuur 5 Adresgegevens opvragen c) Nu fred over de gegevens van willem beschikt, geeft deze gebruiker opdracht om een H.323-verbinding te realiseren met willem.


5

Afbeelding 2 Database-gegevens in ILS-directory-server


6

2 H.323-protocollen In figuur 6 zijn de protocollen afgebeeld die een H.323-terminal ondersteunt.

Figuur 6

H.323-protocollen

Aan de zendzijde zet een audio-codec het analoge signaal van de microfoon om in een digitale bitstroom. Een audio-codec aan de ontvangstzijde converteert de bitstroom naar een analoog signaal. Op de uitgang van deze audio-codec is een koptelefoon of luidspreker aangesloten. Een audio-codec in een H.323-terminal ondersteunt (de)coderingstechnieken die gebaseerd zijn op de G.711-, G.723-, G.728-, G.729- en G.723.1-aanbeveling. In figuur 7 is voor verschillende (de)coderingstechnieken de relatie aangegeven tussen geluidskwaliteit en benodigde bandbreedte.

Spraakkwaliteit: compressiestandaarden onacceptabel

matig

redelijk

goed

bandbreedte (kbps)

64

PCM (G.711)

56 48 40

ADPCM 32 (G.723)

32

LD CELP 16 (G.728)

24 16 8

LPC 4.8

ADPCM 16 (G.726)

MPMLQ (G.723.1)

LDCELP 16 (G.728)

CS-ACELP 8 (G.729)

0

kwaliteit Figuur 7 Benodigde bandbreedte = f(kwaliteit)


7

Aan de zendzijde zet een video-codec het signaal van de camera om in een seriële bitstroom. De bitstroom aan de ontvangstzijde gaat via de video-codec naar de I/O-kaart van de monitor. Een video-codec in een H.323-terminal ondersteunt de video-(de)coderingstechnieken in de H.261- (R = 64 Kbit/s) en H.263-aanbeveling (R< 64 Kbit/s). 2.1 Registration, Admission and Status (RAS) De verzamelnaam voor een H.323-terminal en –gatekeeper is endpoint. In de H.225-aanbeveling is het RAS-protocol vastgelegd voor de communicatie tussen een endpoint en gatekeeper. In tabel 2 staat een overzicht van RAS-berichten die een endpoint en gateway onderling uitwiselen. Tabel 2 RAS-berichten bericht functie Registration Request Endpoint dient registratieverzoek in bij gatekeeper. (RRQ) Gatekeeper accepteert of verwerpt dit verzoek (RCF of RRJ). Admission Request (ARQ)

Endpoint vraagt aan gatekeeper of het toegang krijgt tot het H.323netwerk. Gatekeeper accepteert of verwerpt dit verzoek (ACF of ARJ).

Bandwidth Request (BRQ)

Endpoint dient een verzoek in voor een andere bandbreedte bij de gatekeeper. Gatekeeper accepteert of verwerpt dit verzoek (BCF of BRJ).

Disengage Request (DRQ)

a) DRQ-bericht van endpoint naar gatekeeper Endpoint informeert gatekeeper dat het de verbinding wil sluiten. Gatekeeper accepteert of verwerpt dit verzoek (DCF of DRJ). b) DRQ-bericht van gatekeeper naar endpoint Gatekeeper forceert dat de verbinding wordt verbroken. Endpoint moet met DCF-bericht antwoorden.

Info Request (IRQ) Info Request Response (IRR) RAS Timers and Request in Progress (RIP)

Gatekeeper vraagt aan endpoint status-informatie Antwoord op IRQ-bericht. Endpoint verstuurt ook regelmatig ongevraagd IRQ-berichten naar gatekeeper. Aanbevolen standard timeout-waarde voor een RAS-bericht, indien de zender van een RAS-bericht geen antwoord op zijn vraag krijgt.

2.2 Q.931 H.323-terminals die een fysieke verbinding opbouwen, wisselen onderling Q.931-berichten uit. In tabel 3 staat een overzicht van Q.931-berichten die nodig zijn om een fysieke verbinding op te bouwen of te verbreken.


8

Tabel 3 Q.931-berichten bericht functie Alerting Opgeroepen terminal is gewaarschuwd. “Telefoon”rinkelt. Terminal die het initiatief neemt voor de oproep, verstuurt het alertingbericht. Call Proceeding Het initiatief voor het opbouwen van een verbinding is genomen. Meer informatie voor het opbouwen van een verbinding accepteert de opgeroepen terminal niet. Opgeroepen terminal verstuurt het Call Proceeding-bericht. Connect De oproep om een verbinding tot stand te brengen is geaccepteerd. Opgeroepen terminal verstuurt Connect-bericht. Setup Terminal wil een verbinding tot stand brengen. Terminal die het initiatief neemt voor de oproep, verstuurt Setup-bericht. Release Complete Terminal sluit verbinding. Elke terminal mag Release Complete-bericht versturen. Status Antwoord op een oproep- of Status Inquiry-bericht. Elke terminal mag Release Complete-bericht versturen. Status Inquiry Vraag naar status van de verbinding. Gatekeeper of endpoint verstuurt Status Inquiry-bericht. 2.3 H.245 H.323-terminals gebruiken het Q.931-protocol om een fysieke verbinding tot stand te brengen. Nadat de fysieke verbinding is gerealiseerd tussen H.323-terminals, wisselen terminals eerst besturingsberichten uit voor het opbouwen van een logische verbinding. Vervolgens begint het audio-, video- en/of dataverkeer via de logische verbindingen. Binnen één fysieke verbinding kunnen meerdere logische verbindingen aanwezig zijn. In de H.245-aanbeveling zijn besturingberichten vastgelegd, die nodig zijn voor de communicatie tussen H.323-terminals langs een fysieke verbinding. In tabel 4 staat een overzicht van H.245berichten. Tabel 4 H.245-berichten bericht functie Master Slave Bepaal welke terminal de meester is en welke terminal fungeert als slaaf. Determination Terminal Capability Informatie over de multimedia-stromen die een H.323-terminal kan versturen en ontvangen. Een multimedia-stroom is audio-, video- of dataverkeer. Set Open Logical Channel Close Logical Channel Request Mode Send Terminal Capability Set End Session Command

Logische verbinding openen tussen H.323-terminals voor een multimediastroom. Logische verbinding tussen H.323-terminals sluiten. Terminal aan ontvangstzijde vraagt aan zendende terminal of deze audio, video, data of gecodeerde data kan versturen. H.323-terminal vraagt aan andere terminal welke multimedia-stromen het kan verzenden/ontvangen. De andere terminal moet vervolgens een Terminal Capability Set-bericht versturen. Markeert einde van een H.245-sessie.

In figuur 8 is aangegeven op welke wijze een verbinding tot stand komt tussen twee H.323terminals. Terminal A neemt het initiatief en vraagt aan de gatekeeper toestemming om met terminal B te mogen communiceren. Nadat terminal A hiervoor toestemming heeft gehad van de gatekeeper, neemt terminal A het initiatief om een fysieke verbinding op te bouwen met terminal B. Dit gebeurt op basis van het Q.931-protocol.


9

Wanneer de fysieke verbinding is gerealiseerd, onderzoeken beide terminals op basis van het H.245-protocol welke multimedia-stromen zij onderling kunnen uitwisselen (capablities exchange).

Afbeelding 3 H.323-terminalparameters Voor het uitwisselen van een multimedia-stroom openen H.323-terminals een logische verbinding.


10

Admission Request

RAS H.323terminal A

Admission Confirm

Gatekeeper Setup

Q.931

Connect

H.323terminal B

Capabilities Exchange Open Logical Channel

H.245

Open Logical Channel Acknowledge

RTP Stream RTP Stream RTCP Stream

Figuur 8

Media

Verbinding tussen H.323-terminals

3 Media Voor data-overdracht via het IP-protocol is het TCP/IP-protocol een betrouwbaar protocol. Het IPprotocol draagt zorg voor de routering van data door het netwerk en het TCP-protocol corrigeert transmissiefouten. Multimedia-verkeer heeft andere kenmerken als data-verkeer. Wanneer een multimedia-station moet wachten op een TCP-hertransmissie ontstaat aan de ontvangstzijde een ongewenste hapering in het audio- en video-signaal. Daarnaast heeft het relatief langzame sliding window-protocol een nadelige invloed op de kwaliteit van het audio- en videosignaal. Het complexe TCP-protocol is ongeschikt voor multimedia-verkeer. Vandaar dat het UDPprotocol in combinatie met het IP-protocol wordt toegepast. In vergelijking met het TCP-protocol verstuurt het UDP-protocol weinig protocol-informatie en corrigeert het geen transmissiefouten. De volgende eigenschappen van het IP-protocol hebben een nadelige invloed op de kwaliteit van het ontvangen audio- en video-signaal: a) Jitter IP-frames die zijn verstuurd na gelijke intervallen komen na ongelijke intervallen binnen bij de ontvanger, zie figuur 9. Dit verschijnsel heet jitter. Veel jitter resulteert in een haperend audio- en video-signaal. Een jitter-buffer aan de ontvangstzijde waarin een H.323-terminal IP-frames tijdelijk opslaat, compenseert het haperingsverschijnsel in het audio/video-signaal.


11

t

t

t+x

t-y host B

host A

3

2

3

1

2

1

IP-netwerk

zendtijd tussen IP-frames is gelijk ontvangsttijd tussen IP-frames is verschillend

Figuur 9 Jitter b) Verlies IP-frames Een verstopping (congestion) in het netwerk heeft tot gevolg dat IP-frames zoekraken in het IP-netwerk. Verlies van IP-frames maakt een audio- en video-conferentie onmogelijk.

host B

host A

3

2

1

3

1

IP-netwerk

IP-frame tweede IP-frame is zoekgeraakt in het IP-netwerk

Figuur 10 Verlies IP-frame


12

c) Volgorde-fout Een IP-netwerk biedt een verbindingsloze netwerk-service. Dit impliceert dat de volgorde waarin IP-frames binnenkomen niet hetzelfde behoeft te zijn als de zendvolgorde. In tegenstelling tot het TCP-protocol rangschikt het UDP-protocol de ontvangen data niet in de juiste volgorde.

host B

host A

3

2

1

2

3

1

IP-netwerk

IP-frame ontvangst volgorde niet hetzelfde als zendvolgorde

Figuur 11 Volgorde fout Onderstaande protocollen houden rekening met de eigenschappen van audio/video-verkeer via een IP-netwerk: a) Real-time Transport Protocol (RTP); b) Real-time Control Protocol (RTCP). 3.1 RTP RTP is een transportprotocol voor real-time applicaties. Audio- en video-applicaties die met elkaar communiceren, maken gebruik van dit protocol. De specificaties van het RTP-protocol zijn vastgelegd in IETF RFC 1889. Een RTP-frame staat in het dataveld van een UDP-frame. In het daveld van het IP-frame staat het UDP-frame. De headers van deze drie protocollen hebben tezamen een lengte van 40 bytes. Zie figuur 10. Door de RTP-header te comprimeren, neemt de beschikbare bandbreedte voor het audio- en videoverkeer (payload) toe. De RTP-header bevat informatie voor: a) Timing Dit is noodzakelijk om het audio- en video-signaal aan ontvangst- en zendzijde te synchroniseren.


13

ongecompimeerde RTP-header

IP Header (20)

UDP (8)

RTP (12)

PAYLOAD

Header is 40 bytes

gecompimeerde RTP-header

Figuur 12

4-5

PAYLOAD

IP-, UDP- en RTP-header

b) Volgorde Aan de hand van de volgorde-informatie in de RTP-header, stelt de ontvanger vast of de payload in de juiste volgorde is gearriveerd. Daarnaast controleert de ontvanger of er data is zoekgeraakt. c) Payload Aan de hand van de payload-informatie stelt de ontvanger vast of de payload een audioof video-stroom is. Het RTP-protocol ondersteunt niet een mechanisme dat zorg draagt voor het op tijd afleveren van payloads of een bepaalde Quality of Service garandeert. Ook gaat het RTP-protocol er niet van uit dat het onderliggende netwerk deze diensten levert. Voor sommige applicaties is dit geen probleem. Indien applicaties toch een bepaalde Quality of Service nodig hebben, moet het RTP-protocol ondersteuning krijgen van een ander protocol 3.2 RTCP RTCP is een controle protocol dat samenwerkt met het RTP-protocol. Een H.323-terminal die deelneemt aan een RTP-sessie, verstuurt regelmatig controle-informatie naar andere terminals. Het RTCP-protocol heeft de volgende functies: a) Applicaties informatie verstrekken Het RTCP-protocol verstrekt aan applicaties informatie over de kwaliteit van payload-distributie. Elk RTCP-pakket bevat een rapport van de zender en/of ontvanger. Deze rapporten bevatten informatie betreffende het aantal verstuurde RTP-pakketten, het aantal zoekgerakte RTP-pakketten en jitter-intervallen. Monitors aan de zend- en ontvangstzijde verwerken de informatie die het RTCP-protocol verstrekt. Proeven met IP-multicasting tonen het belang aan van monitors. Op basis van de gegevens die het RTCP-protocol verstrekt, wijzigt een zender zijn


14

transmissieparameters. b) RTP-bron identificeren Het RTCP-protocol verstuurt identifiers van RTP-bronnen. Op deze manier kunnen H.323-componenten bijhouden wie aan RTP-sessie deelnemen. c) RTCP-netwerkverkeer beperken RTCP-verkeer mag het netwerkverkeer niet te veel belasten. Uiteindelijk moeten H.323-netwerkcommponenten RTP-pakketten (payloads) met de hoogste transmissie-snelheid kunnen versturen. Alle RTCP-pakketten tezamen mogen daarom maximaal vijf procent van het totale RTP/RTCP-netwerkverkeer vormen. Deze limiet dwingt het RTCP-protocol af. Het RTCP-protocol zorgt er voor, dat de transmissiesnelheid van het aantal verstuurde RTCP-pakketten afhankelijk is van het aantal deelnemers aan RTP-sessies. 4 QoS-protocollen RTCP geeft aan RTP-zenders informatie over de kwaliteit van de verbinding. Andere protocollen zijn nodig om een bepaalde Quality of Service te garanderen. Protocollen die een bepaalde QoS garanderen, zijn: a) Resource Reservation Protocol (RSVP); b) Fast IP; c) Traffic Prioritization 4.1 RSVP RSVP is een protocol waarmee applicaties capaciteit reserveren in een netwerk. Wanneer een bepaalde QoS nodig is voor de verbinding tussen applicaties, maken applicaties gebruik van het RSVP-protocol. Alle hosts en routers in een verbinding moeten het RSVP-protocol ondersteunen. Deze componenten reserveren bandbreedte, CPU- en geheugencapaciteit om de gevraagde QoS te realiseren. Het RSVP-protocol verstuurt besturingsberichten naar alle routers die deel uitmaken van de verbinding, zie figuur 13. Dit gebeurt op basis van het IP-protocol. Elk router in de verbinding onderneemt twee acties: a) Bandbreedte, CPU- en geheugencapciteit reserveren Een admission control-eenheid in een router bepaalt of er voldoende capaciteit beschikbaar is. De policy control-eenheid controleert of de aanvrager voldoende rechten heeft om capaciteit te reserveren. Een router die over onvoldoende capaciteit beschikt, verstuurt een foutmelding naar de aanvrager van het RSVP-verzoek. Een router die de reserverings-aanvraag inwilligt, configureert zijn packet classifier. Deze classifier selecteert de ontvangen IP-frames en draagt zorg voor het realiseren van QoS langs een bepaalde verbinding. b) RSVP-verzoeken upstream doorsturen naar de volgende IP-router.


15

Deze applicatie heeft 20 Kbyte bandbreedte nodig. De vertraging mag niet groter zijn dan 200 msec.

PABX PABX

Ik heb 20Kbyte bandbreedte nodig. De vertaging mag niet groter zijn dan 200 msec.

Reseveer 20Kbyte bandbreedte.

Figuur 13 RSVP-protocol Het RSVP-protocol heeft één nadeel. Elke IP-router moet over voldoende CPU-capaciteit beschikken. Alle ontvangen IP-frames moet een router namelijk inspecteren om vast te stellen of het IP-frames wel of niet langs een QoS-verbinding moet versturen. 4.2 Fast IP In figuur 12 is een typisch intranet afgebeeld. Schakelaar 1 is opgedeeld in twee VLAN’s. Op het ene VLAN zijn de systemen van subnet A aangesloten en op het andere VLAN de systemen van subnet B. De TCP/IP-router koppelt de twee subnet A en B aan elkaar. Al het verkeer tussen de subnetten gaat via deze router. De verwerkingssnelheid van een TCP/IP-router is veel langzamer dan de verwerkingssnelheid van een schakelaar. Bij het uitwisselen van relatief veel payloads tussen subnet A en B, vormt de TCP/IP-router een probleem. Jitter neemt toe en de kwaliteit van het ontvangen audio/video-signaal af. Dit probleem kunnen we verhelpen door gebruik te maken van netwerkkaarten die Fast IP ondersteunen. Het eerste pakket dat host B naar host A verstuurt, gaat via de TCP/IP-router naar host A. Wanneer host A en B elkanders MAC-adres kennen, vindt de onderlinge communicatie niet meer via de TCP/IP-router plaats.


16

Figuur 14 Fast IP-netwerk Host A en B wisselen nu rechtstreeks IP-frames uit via schakelaar 1, zie figuur 15.

Figuur 15 Communicatie via schakelaar 1


17

Een host die verbinding wil opbouwen met een andere host, verstuurt een verbindingsverzoekbericht. Dit gebeurt op basis van het Next Hop Resolution Protocol (NHRP). De meeste huidige schakelaars en routers ondersteunen dit protocol. 4.3 Traffic Prioritization Traffic Priortization stelt netwerkbeheerders in staat om aan het netwerkverkeer van bepaalde applicaties een bepaalde prioriteit toe te kennen. In figuur 16 wisselen multimedia-station A en B onderling payloads uit. Daarnaast communiceren de email-server en host A tegelijkertijd via dezelfde schakelaar.

Figuur 16 Traffic Priortization In tegenstelling tot de email-server en host A zijn multimedia-stations real time-systemen. Het gegenereerde dataverkeer verkeer van de email-server en host A vertraagt echter het verkeer tussen de multimedia-stations. Dit heeft nadelige gevolgen voor de kwaliteit van het audio/videosignaal. Met Traffic Prioritization geeft een netwerkbeheerder de schakelaar opdracht om het dataverkeer van de email-server en host A tijdelijk op te slaan in een buffer, wanneer multimediastions payloads uitwisselen. Door prioriteiten toe te kennen aan netwerkverkeer, bereikt een netwerkbeheerder dat de schakelaar het audio- en video-verkeer sneller afhandelt dan het overige netwerkverkeer. Het toekennen van prioriteiten is gebaseerd op de IEEE802.1p-standaard.


18

ing. W.J. Roos (EPN) VOIP-theorieboek 1

Recommend Documents