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1 Corso TECNICO DI RETE MODULO 1 dimensionamento architettura di rete Docente: ing.andrea Sarneri ANDREA SARNERI - CORSO CESCOT Lezione 12 Voip La digitalizzazione del segnale vocale I protocolli di riferimento: SIP, RTP Architettura dei sistemi Voip Gateway Voip, centralini Voip Client VoiP ANDREA SARNERI - CORSO CESCOT

2 Il Sistema Telefonico: la commutazione di circuito Inizialmente la creazione di circuiti tra coppie di utenti era demandata all operatore manuale, successivamente si sono realizzate tecniche di commutazione automatica. Lo switch è il dispositivo di centrale che crea le varie connessioni La commutazione di circuito Le caratteristiche della rete telefonica commutata: Ciascuna conversazione tra due utenti impegna un circuito, anche se gli utenti tacciono Il circuito è riservato alla conversazione, e non disponibile ad altri Per attivare il circuito è necessaria una fase iniziale di ricerca del circuito libero e di instradamento Il costo è legato al tempo di utilizzo del circuito La tecnologia digitale non cambia questo modello ma eventualmente da la possibilità di avere servizi aggiuntivi utilizzando la rete di segnalazione CAS o CCS 4 2

3 Digitalizzazione del segnale vocale Il Campionamento è la tecnica che consente di convertire un segnale analogico in un segnale numerico PCM (Pulse Coded Modulation): Dalla forma d onda originale vengono prelevati dei campioni a intervalli regolari N+1 N+2 N+3 N+4 N+5 N+6 N+7 N+8 t Digitalizzazione del segnale vocale Codifica:si ottiene quindi una sequenza di bit/byte che rappresenta il segnale analogico a meno di errori di arrotondamento LOW PASS FILTER Sampler Quantizer Coder Sampler Quantizer decoder LOW PASS FILTER Il dispositivo che realizza questa funzione si chiama CODEC. Il blocco fondamentale è il convertitore analogico/digitale 3

4 Digitalizzazione del segnale vocale Il segnale telefonico è costituito da : Segnale vocale relativo alla conversazione Toni di segnalazione in banda e fuori banda Il flusso digitale derivato da un segnale telefonico ha una banda convenzionale che va da 0 a 4000Hertz. Per il teorema di Shannon è necessaria una frequenza di campionamento di almeno 8000 Hz, ovvero la sequenza di campionamento deve generare un campione ogni 1/8000=125uS. Ciascun campione va poi quantizzato e codificato. Se si usano 8bit il flusso complessivo sarà di : 8000*8=64000 bit al secondo Codecs e riduzione di ridondanza Il processo di campionamento e quantizzazione viene implementato nei Codecs, i quali tramite algoritmi opportuni determinano la qualità del segnale audio in funzione del bit rate del flusso dati relativo. I Codecs per canali vocali sono standardizzati dalla ITU: G.711 A-law: produce un flusso non compresso a 64kbit/sec (parole di 8 bit), in cui la griglia di ampiezza è logaritmica (A- Law) migliorando il range dinamico del segnale. Questo codec è alla base della realizzazione di flussi E1 a 2Mbit/s G.722 : produce un flusso compresso di 64/56/48kbit/s utilizzando la tecnica ADPCM (Adaptive Differential PCM) 4

5 Qualità della conversazione: Delay e Jitter Nelle reti PSTN analogiche il ritardo era dovuto principalmente alla velocità di propagazione del segnale elettrico Nelle reti numeriche a questo si aggiunge il ritardo di elaborazione dei CODEC e degli switch di rete, e delle code /buffer per la gestione della congestione CIS - Incontro 1 9 Qualità della conversazione: Delay e Jitter Esempio di calcolo di budget di ritardo in un collegamento VoIP Dnw = backbone network delay, limitato a 29 ms per soddisfare il requisito di 150ms totali. CIS - Incontro

6 Vantaggi della rete a pacchetto I pacchetti risultanti da campionamento vocale sono identici agli altri pacchetti dati (files, , video, ecc..), per cui l infrastruttura di rete può essere condivisa integrazione voce/dati/servizi Durante le pause della conversazione, è possibile non trasmettere alcun pacchetto, risparmiando preziose risorse di banda per altre conversazioni: 11 difetti delle reti a pacchetto Ritardo: come nelle reti a commutazione di circuito il ritardo è dovuto alla propagazione, ai Codecs, e alle code di gestione/risincronizzazione dei flussi nei routers e switch Jitter: nelle reti a pacchetto il problema può aggravarsi per via dei diversi percorsi che i pacchetti subiscono prima di essere riassemblati nella giusta sequenza, e degli accumuli che possono verificarsi nei buffers che potrebbero ospitare anche pacchetti non-voce. Perdita di pacchetti: come caso limite si potrebbe anche giungere alla perdita dei pacchetti per saturazione e mancato smaltimento del buffer o anche per errato routing. 12 6

7 Protocollo IP e best effort Il livello di rete (protocollo IP) è basato su comunicazioni best-effort (cerca comunque di raggiungere il destinatario), ma l'affidabilità della consegna è affidata a protocolli di livello più alto, e demandata agli host end-to-end (i dispositivi che si trovano ai due capi della comunicazione) e non più ai dispositivi di rete intermedi. Ad esempio, il protocollo TCP fornisce un servizio affidabile, verificando che tutte le informazioni trasmesse siano ricevute correttamente ed integralmente dal destinatario con un meccanismo sliding window, ma a prescindere dal ritardo che questo comporta. I servizi delay-sensitive al contrario hanno esigenze diverse, essendo meno importante la eventuale perdita di qualche pacchetto. Per questi servizi si preferisce il protocollo UDP, eventualmente integrato da ulteriori protocolli a livello superiore (ad es. RDP) 13 Protocollo IP e best effort I meccanismi best-effort si basano su algoritmi e protocolli di routing più o meno efficienti che non entrano nello specifico contenuto del payload: protocolli distance-vector : ogni router mantiene l informazione di distanza/costo verso le destinazioni note, e la divulga ai vicini. Ciascun router è quindi in grado di determinare il percorso minore (es. RIP,IGRP) Protocolli link-state: ogni router identifica i routers direttamente collegati e memorizza la struttura completa della rete in un proprio database, il database viene aggiornato dai messaggi LSP generati dai router stessi (es. OSPF), infine viene calcolato il percorso migliore. Per gestire un sistema di telefonia su IP e critico garantire la QoS (Quality of Service) solo con gli strumenti messi a disposizione del livello di rete (layer 3), ovvero best-effort, soprattutto quando i livelli sottostanti attraversano più mezzi disomogenei 14 7

8 I protocolli VoIP 15 Modelli per una gestione della QoS Per affrontare il problema di una QoS end-to-end bisogna definire strategie e strumenti per i vari nodi della rete: Nodi Edge : sono i nodi periferici che gestiscono il traffico in entrata alla rete. In questi nodi è possibile classificare, marcare, condizionare e modellare il flusso Nodi Core: sono i nodi intermedi che ricevono il traffico e gestiscono la congestione delle varie code Edge: Rete 2 Core: Le strategie core e edge agiscono al livello IP Rete 1 Rete

9 Modelli per una gestione della QoS Si possono individuare anche strategie che coinvolgono i livelli superiori a IP, in questo caso si parla più in generale di architetture di rete orientate alla QoS perché serve un vero e proprio coordinamento dei vari elementi in tutti i segmenti: Integrated Service (IntServ): in questa strategia l applicazione cerca di riservare le risorse necessarie su tutto il percorso di rete, deve essere recepita da tutti i router, e di fatto crea dei canali preferenziali assegnati ai vari flussi e cerca di mantenerli (per-flow state) Differentiated Service (DiffServ): strategia che cerca di spostare il problema sul lato edge creando aggregati di pacchetti (non di flussi) in funzioni delle diverse classi di servizio (per-class state), le risorse vengono tendenzialmente allocate in eccesso (overprovisioning). 17 Modelli per una gestione della QoS Setup Protocol sistema di segnalazione per l allocazione delle risorse nei nodi della rete Si applica il protocollo RSVP (Resource Reservation Protocol): RSVP mira ad aprire un percorso di routing con una QoS determinata e a mantenerla attiva, prenotando quanto necessario nei vari router del percorso. La richiesta di prenotazione di risorse nasce dal nodo ricevitore, questo semplifica la gestione nel caso multicast Ogni nodo memorizza in un softstate la configurazione di risorse assegnata 18 9

10 Protocolli per il trasporto: RTP Realtime Transport Protocol (RFC3550): Questo protocollo permette distribuzione end-to-end di servizi che necessitano di trasferimento realtime, audio e video multimediale. Alcuni servizi di RTP sono: l'identificazione del payload type la numerazione sequenziale (sequence number) la marcatura temporale (timestamp) Il monitoraggio RTP non garantisce la consegna dei pacchetti, si appoggia alla QoS dei livelli inferiori (trasporto UDP e rete), ma attraverso i servizi forniti consente al ricevente di gestire comunque (riordino, ricostruzione, risincronizzazione) il flusso realtime Vantaggi: l overhead è minimo, per cui si snellisce la trasmissione 19 Protocolli per la segnalazione: SIP Il protocollo di segnalazione SIP (Session Initiation Protocol) nasce in ambiente IETF (RFC2543 e RFC3261), per la gestione di sessioni multimediali in ambito internet, con modalità peer-to-peer. SAP RSVP COFIMP Tecnologie VoIP 20 10

11 Protocolli per la segnalazione: SIP Caratteristiche del protocollo: È un protocollo indipendente dal protocollo di trasporto (UDP o TCP) e programmabile, quindi facilmente estendibile SIP dà supporto a servizi avanzati come il controllo di presenza, la ricerca del chiamato e il reinstradamento della comunicazione. SIP consente all'utente di decidere come e dove desidera essere raggiunto (personal mobility), aggiornando sul sistema, in modo dinamico, un registro con lo stato di tutti gli utenti, i luoghi di reperibilità e le preferenze nella comunicazione 21 Protocolli per la segnalazione: SIP Caratteristiche del protocollo: Architettura modulare e scalabile, ovvero capace di crescere con il numero degli utilizzatori del servizio Segue il modello di transazioni client-server e la sintassi derivata dall HTTP, basata su testo, del tipo request/response Eventuali server possono essere sia sateless che stateful SIP sviluppa funzionalità simili alla rete PSTN, non centralizzate ma distribuite negli elementi periferici endpoint 22 11

12 Protocolli per la segnalazione: SIP Elementi della architettura: 1.User agent client (UAC), è un applicazione che inizia la richiesta per l instaurazione di una sessione SIP 2.User agent server (UAS), è un applicazione che contatta l utente quando riceve una richiesta SIP invia una risposta. 3.Proxy server: è un programma che agisce sia da client che da server allo scopo di inoltrare richieste UAC verso UAS, implementando policies. 4.Redirect server, è un server che accetta richieste SIP, mappa l indirizzo in uno o più nuovi indirizzi e li restituisce all utente richiedente.diversamente dal proxy,non fa routing. 5.Registrar, è un server che accetta richieste di registrazione e le memorizza 6.Location server, conserva informazioni sulla localizzazione degli utenti 7.B2BUA, funzionalità doppia client/server per connessioni back-to-back (IP-PBX) COFIMP Tecnologie VoIP 23 Protocolli per la segnalazione: SIP Esempi di sessione: Direct call COFIMP Tecnologie VoIP 24 12

13 Protocolli per la segnalazione: SIP Esempi di sessione: Redirect REGISTER ACK COFIMP Tecnologie VoIP 25 Peer to peer VoIP: Soluzione proprietaria che nasce come applicazione di Istant Messaging (IM), realizzata da Zennstrom e Friis (fondatori di KaZaA), prima versione nel Chiamata gratuita tra client skype, a pagamento verso PSTN e altri servizi (es. Client software disponibile per Windows, Mac, iphone/ipad, linux, etc.. E una applicazione peer to peer che utilizza i seguenti componenti: Ordinary Host (il client skype) Supernodes (è un ordinary host che viene promosso a proxy di più OH se ha risorse e banda sufficienti, contiene le liste degli utenti) Login server (è l unica risorsa centralizzata) Neighbour relationship (è la relazione che collega SN con OH) COFIMP Tecnologie VoIP 26 13

14 Peer to peer VoIP: Altri elementi : Host cache: è la lista dei supernodi in relazione di vicinanza con OH Buddy list: è la lista dei contatti salvata localmente Encryption a 256bit, chiave AES simmetrica NAT traversal: sembra che skype usi una versione derivata di STUN Codec throughput: da 3 a 16Kbit/s, BW fino a 8KHz, senza soppressione del silenzio I pacchetti voce utilizzano UDP o TCP. Skype non usa RTP COFIMP Tecnologie VoIP 27 La telefonia su IP: IP-PBX COFIMP Tecnologie VoIP 28 14

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