VoIP. Corso di Laboratorio di Telematica A.A Francesco Chiti Andrea De Cristofaro

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1 Corso di Laboratorio di Telematica A.A Francesco Chiti Andrea De Cristofaro VoIP Copyright Università degli Studi di Firenze - Disponibile per usi didattici Vedere i termini di uso in appendice ed a:

2 Introduzione Febbraio 95 Vocaltec rilascia la prima versione di Internet Phone Studiata inizialmente per collegare 2 pc muniti di microfono, altoparlante e scheda audio Tecnologia trasparente all utente (come PSTN) Sfrutta la diffusione quasi capillare di connessioni ad alta velocità Nasce per abbattere i costi

3 Esempio

4 Flussi Dati vs Flussi Voce

5 Migrazione verso VoIP

6 Migrazione verso VoIP

7 Requisiti Il traffico che la rete deve essere in grado di supportare, garantendo gli opportuni requisiti di QoS, è di tipo ISOCRONO e LOSS RATE Non più Best Effort, ma classi di traffico a priorità differenti

8 QoS

9 Telefonia classica PSTN La telefonia classica su rete pubblica (Public Switched Telephone Network) si basa ormai su una architettura robusta, ratificata ed evolutasi nel corso di un secolo di studi La configurazione attuale delle PSTN è quella di reti a commutazione di circuito che trasmettono segnali digitali (codificati secondo la modulazione PCM nella variante a-law in Europa e μ-law in America) su linea locale uso di differenti tipi di segnalazione sia per comunicazioni tra utente e rete, in banda (DTMF) o fuori banda (ISDN), che per la segnalazione tra reti (tra le centrali telefoniche), in banda (ad esempio MF o RBS) o fuori banda (SS7 o C7)

10 Commutazione di Circuito Utilizzata nelle PSTN, consiste nella sostanziale creazione e mantenimento, dall istante in cui il telefono del chiamato inizia a squillare fino all istante in cui uno dei due partecipanti riaggancia l apparecchio, di un canale telefonico a 64 kbps dedicato alla conversazione in atto tra i due utenti Una volta che l instaurazione della chiamata è terminata, l unico ritardo per la trasmissione dei dati (voce o altro) tra i due utenti è dovuto al ritardo di propagazione del segnale elettromagnetico lungo la linea (circa 5ms per 1000 km)

11 Limiti PSTN Il traffico dati supera quello vocale, eppure si trova a viaggiare su reti ottimizzate per il traffico voce Le PSTN non sono in grado di creare e fornire funzionalità con la dovuta rapidità richiesta dagli operatori del settore Questo tipo di commutazione blocca infatti una risorsa (un circuito telefonico) che viene sotto-utilizzata (come nei momenti di silenzio di conversazione), mentre al contrario le reti dati consentono l'utilizzo dell'ampiezza di banda solo nei momenti in cui essa è richiesta

12 Telefonia VoIP L'infrastruttura a pacchetti del nuovo modello di telefonia si basa sul protocollo di trasporto dati IP Viene utilizzato il protocollo di trasporto UDP (User Data-gram Protocol), semplice ma meno affidabile, per il trasporto del traffico vocale, mentre il TCP (Transmission Control Protocol) più complesso e affidabile, è utilizzato per garantire l'affidabilità del messaggio di instaurazione di una chiamata Oltre ad un'intestazione UDP/IP viene utilizzato il protocollo RTP (Real-time Transport Protocol), che sui protocolli UDP/IP opera ed è l'elemento fondamentale per la trasmissione di traffico in tempo reale su reti IP

13 Caratteristiche traffico multimediale Fondamentalmente traffico di tipo real-time, ovvero improntato alle tempistiche di consegna piuttosto che alla garanzia di consegna stessa ampiezza di banda garantita; latenza ridotta; jitter limitato; perdite limitate; conservazione dell ordinamento del flusso

14 Ampiezza di banda Può variare dagli 8 kbps per una trasmissione audio vocale, ai 2 Mbps per una trasmissione audio-video di elevata qualità La banda deve essere costantemente garantita, almeno ad un livello minimo E addirittura preferibile che la qualità si deteriori a causa di una maggiore compressione del segnale, piuttosto che la ricezione risulti spezzata allocazione preventiva della banda

15 Latenza Il tempo che intercorre tra l invio dei dati da parte del mittente e la ricezione degli stessi da parte del destinatario Concorrono i seguenti dispositivi: Server : il mittente deve codificare i dati, eventualmente comprimerli ed infine trasmetterli Client : il client deve decomprimere i dati e decodificarli per ricostruire il flusso originario e poi riprodurlo Rete : accodamento e sincronizzazione dentro i buffer di switch e router

16 Jitter Variazione del ritardo avvertito in ricezione rispetto al tempo di invio dei dati E possibile eliminarne gli effetti compensando le variazioni del ritardo tramite l utilizzo di buffer in ricezione Le cause di questo fenomeno sono generalmente da ricercarsi nella variabilità del traffico in rete e nelle congestioni che vi si formano

17 Perdite Nelle applicazioni di trasferimento file, è fondamentale che ogni singolo byte giunga al ricevitore, affinché la trasmissione abbia buon esito (livello di trasporto) Se in un filmato manca un fotogramma, oppure se in una conversazione si perdono alcuni millisecondi di audio, l effetto è trascurabile se non addirittura inavvertibile La quantificazione percentuale di perdita limite consentita dipende dal metodo di codifica utilizzato e dal risultato che si vuole ottenere

18 Ordinamento Il corretto ordinamento dei dati ricevuti, secondo la sequenza di spedizione, è solitamente fondamentale per ricostruire il flusso originale Si possono semplicemente scartare gli spezzoni fuori ordine oppure riordinarli, con la sola preoccupazione di non ritardare il normale fluire della ricezione/riproduzione

19 Protocolli Scelte disponibili per la realizzazione di servizi multimediali : Livello 2 : ATM, Frame Relay, HDLC Livello 3 : IP

20 Protocolli La scelta di livello 2 richiede una minore ampiezza di banda per chiamata, mal adattandosi però a coprire tutte le esigenze di un moderno modello di multiservice networking Non sarebbe in grado di raggiungere terminali host, come PC o server, che risiedono su rete Ethernet Mentre il traffico vocale IP, rappresentando una soluzione di livello tre, può essere instradato attraverso qualsiasi mezzo di trasporto, quello di livello due è al contrario strettamente vincolato al mezzo che sostiene la trasmissione dei pacchetti voce stessi

21 Protocolli

22 Protocolli RTP/RTCP RTP è lo standard per la trasmissione di traffico sensibile ai ritardi lungo reti a pacchetto Aggiunge alle informazioni dell'udp e dell'ip altri dati, quali informazioni sulla sequenzialità e sulla cronologia, per permettere al ricevente di determinare il corretto ordinamento dei pacchetti e se il pacchetto è stato ricevuto nel momento in cui era atteso RTCP è il relativo protocollo di controllo che si occupa, anche, dei processi di sincronizzazione

23 Header RTP

24 Header RTP V: indica la versione del RTP P: padding. Se il bit è impostato indica la presenza di byte di riempimento al termine del pacchetto che non fanno parte del payload (carico) X: extension bit. Quando settato, l intestazione fissa è seguita da una estensione con un formato definito. CSRC count (CC): Il suo valore rappresenta il numero di identificatori CSRC che seguono i primi dodici ottetti dell intestazione del pacchetto: se il valore è zero significa che il pacchetto non è stato generato da un mixer. Marker (M): è un flag gestibile dalle applicazioni per contrassegnare particolari eventi nel flusso dei pacchetti, come per esempio i limiti di un frame.

25 Header RTP Payload type (PT): Il suo valore indica la tipologia del carico trasportato dal pacchetto inviato e quindi la sua interpretazione da parte dell applicazione Sequenze number: è un numero di sequenza che viene incrementato per ogni pacchetto RTP inviato dalla sorgente.tale valore è utilizzato in ricezione per determinare le perdite e le inversioni nella sequenza dei pacchetti Timestamp: il valore di questo campo identifica l istante di generazione del primo campione del payload: l istante di campionamento deve essere ricavato da un timer che si incrementa monotonicamente e linearmente nel tempo per facilitare la sincronizzazione ed il calcolo del jitter SSRC: Identifica l origine di sincronizzazione CSRC list: è la lista degli identificatori di sorgenti che hanno contribuito al payload del pacchetto.questo campo è presente solo se il pacchetto è stato generato da un mixer.

26 Pacchetto VoIP Le intestazioni RTP/UDP/IP di un pacchetto VoIP aggiungono 40 byte ( =40) ad ogni trama, in alcuni casi più del doppio del carico utile (payload)

27 Codec Audio

28 Standard Usati da VoIP La gestione delle chiamate voce sulla rete IP è, al momento, indirizzata da due differenti standard, elaborate in ambito ITU e IETF, che sono rispettivamente H.323 e SIP Per quanto concerne l interlavoro tra la rete telefonica a commutazione di circuito e la rete Voip sembra, invece, essersi affermato il MGCP (Media Gateway Control Protocol), sviluppato, inizialmente, in ambito IETF e ora standardizzato, sotto l acronimo H.248 H.323 e SIP, che consentono la distribuzione dell intelligenza di rete tra gli endpoint e i dispositivi di controllo delle chiamate

29 Codec Audio

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