Antonio Capone. Politecnico di Milano. Dipartimento di Elettronica e Informazione - 1 -

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1 Antonio Capone Politecnico di Milano Dipartimento di Elettronica e Informazione - 1 -

2 Introduzione - 2 -

3 Perché IP Telephony L integrazione di telefonia e IP rappresenta l opportunità di realizzare un sistema globale di comunicazione multimediale. Infatti l aggiunta di video o altri segnali stream non cambiadi molto il problema. Riconosciuto il fallimento dapprima di ISDN come strumentodi integrazione end-to-end di dati su reti fonia.. e successivamente di ATM. rimane solo la possibilità di integrare la fonia su reti dati. L unica rete dati universale è basata su IP

4 Perché IP Telephony -2 I vantaggi dell integrazione (gestione unificata di problematiche e risorse e servizi di comunicazione) si sommano ai vantaggi dell utilizzo di IP: rescita e ubiquità metodo di trasporto e interfaccia utente universali metodi di scoperta delle risorse scalabili servizi realizzati con protocolli end-to-end che utilizzano piattaforme aperte e che aprono la strada a molteplici vendors e a forti innovazioni a basso costo - 4 -

5 Vantaggi per l utente l Utilizzo di apparati intelligenti (PC) che permettono di programmare direttamente servizi di chiamata e risposta programmazione di call forwarding. Es: in funzione dell ora dirotta a questo numero e, per mancata risposta, dirotta su voice mail Mobilità e portabilità del numero L dentità dell utente sganciata dall indirizzo di rete consente l indirizzamento alla persona ovunque sia - 5 -

6 Vantaggi per l utente l Messaggistica unificata integrazione , voice mail, short messages, scambio di dati durante la chiamata, sessioni in video multiconferenza, numeri personali Accesso remoto alla Intranet completo utilizzo dell Intranet, compresa la telefonia Sganciamento dallo strato fisico possibilità di connessioni diverse contemporaneamente da casa per telelavoro Qualità regolabile le chiamate possono essere scelte o programmate con qualità scelta dall utente in modo da massimizzare il rapporto costo/prestazioni - 6 -

7 Vantaggi per il gestore Unificazione della gestione fonia / dati Gestione semplificata della fonia con interfacce standard e user friendly Unificazione di servizi voce dati (call centers, WEB, IVR, directory, security, certificazioni) Facile espandibilità di servizi Minor costo di servizi ed hardware Facilità di offrire servizi su reti IP - 7 -

8 Enti di standardizzazione International Telecommunication Union (ITU) Internet Engineering Task Force (IETF) AVT: RTP SIP: SIP per IP Telephony IPTEL: CPL and GLP SIPPING: estensioni SIP SIMPLE: SIP per Instant Messagging PINT (PIN): PSTN-Internet services MEGACO: Media gateway control SIGTRAN: Telephony signaling transport European Telecommunication Standards Institute (ETSI) Typhon - 8 -

9 Ingredienti di base per IPTel Codifica Trasporto in in rete Qualità di Servizio Segnalazione - 9 -

10 Codifica della voce

11 Codificatori vocali Trasformano la voce in un flusso di bit Waveform codecs Source codecs (vocoders) Hybrid codecs

12 Waveform codecs: Codificano il segnale di banda B senza perdite Teorema di Nyquist: campionamento a 2B telefonia classica B= 4 KHz Quantizzazione (n. di livelli discreto e finito) massimo rumore di quantizzazione tollerabile Telefonia: 8 bit/campione = 64 kb/s campionatore A to D alta qualita, bassa complessita, basso ritardo (1 campione), robustezza agli errori e al rumore di fondo

13 Pulse Code Modulation (PCM) standardizzato da ITU nel 1960: G.711 si assume B=4 khz, e la frequenza di campionamento Bc=8 khz, 8 bit/campione, 64 kb/s due differenti regole di quantizzazione (logaritmica) per America (m-law) e Europa (A-law) regole di conversione standard

14 Source codecs (vocoders) Si basano su modelli di generazione della voce umana i modelli permettono di togliere la ridondanza da segmenti vocali fino a un informazione base sufficiente a riprodurre la voce Altissima efficienza (pochi kb/s per la voce) elevata complessità ritardi mediamente elevati sensibili a errori, rumore di fondo e suoni non umani

15 Modello a fonemi filtro riverberante a parametri discreti segnale in ingresso (treno di impulsi o rumore bianco) parametri del filtro variati periodicamente (10-20 ms) pitch parametri filtro Cn

16 Vocoder lineari (LPC) modello della voce basato sul filtro lineare a parametri discreti ad intervalli regolari (10-20 ms) vengono stimati e trasmessi i parametri del modello coefficienti del filtro a i, voiced/unvoiced flag, varianza del segnale di eccitazione, pitch Eccitazione (20 ms) gain Σ A(z) sˆ( n) = p i= 1 a i s' ( n Voce sintetica i) La stima è effettuata minimizzando la varianza dell errore e( n) = sˆ( n) s( n)

17 Hybrid codecs Code Excited Linear Prediction (CELP) la sequenza di eccitazione viene scelta tra un insieme di sequenze (code-book) le sequenze nel code-book sono realizzazioni di processi gaussiani problema: lunghi ritardi dovuti alla ricerca della sequenza ottima nel code-book semplificazione dell algoritmo mediante metodi efficienti di ricerca e modifica del code-book G.728 low delay CELP codec 16 kbit/s G.729 CS-ACELP codec 8 kbit/s G ACELP 5.3 kbit/s

18 Principali Codifiche Compressione Year Bit rate (kbit/s) Frame size (ms) Look ahead (ms) G.711 PCM G.726 ADPCM G.722 Subband ADPCM G.728 LD-CELP G.729 CS-ACELP G MP-MLQ G ACELP RPE-LTP (GSM)

19 Prestazioni dei codec Mean Opinion Score ascoltatori 5 livelli: excellent, good, fair, poor, bad excellent good G fair G.729 G.728 GSM IS96(DAMPS) G.726 G.727 G.711 R.V.Cox, AT&T Com. Mag, Sept 97 poor bad kbit/s

20 Qualità della voce ricostruita Oltre alla caratteristiche intrinseche della codifica, nelle reti trasmissive la qualità della riproduzione è influenzata anche da ritardi di riproduzione eccessivi eco perdita totale o parziale di segmenti codificati codifica-decodifica multipla

21 Soppressione dei silenzi Nelle conversazioni duplex il canale è usato per il 50% del tempo e in più ci sono le pause del parlato Utilizzabile in reti a pacchetto per ridurre la banda media occupata e aumentare la capacità a disposizione esistono molti metodi di silence-detection decisione segmento per segmento basata su livello di energia decisione con memoria (es. almeno due segmenti consecutivi di segmenti sotto soglia per l attivazione) soglie adattative meccanismi legati al codec

22 Cause di ritardi in VoIP Cattura suono Compressione (framing, algoritmo + processing) Pacchettizzazione Trasmissione + Propagazione Processing + code nei router Playout delay Decompressione (processing) Resa suono

23 Il trasporto della voce nelle reti IP

24 I protocolli di trasporto classici Insieme ad IP vengono usati i protocolli end-to-end di trasporto (livello 4) per fornire servizi aggiuntivi 4 3 2/3 TCP IP UDP

25 Il protocollo TCP E un protocollo END-to-END di livello 4 che ha lo scopo di mascherare gli aspetti del livello di rete trasportare flussi di bit recuperare l errore e garantire la consegna eseguire controllo di flusso multiplare diversi flussi I punti 3 e 4 non lo rendono adatto a traffico real time PC PC TCP IP UDP TCP IP UDP

26 Header UDP 1 32 bit N. porta sorgente Lungh. trama N. porta destinazione Checksum 8 BYTE Non garantisce la consegna né l ordine Non esercita nessun controllo Vanno aggiunti strumenti per l identificazione dei singoli flussi

27 Il Real Time Protocol Il protocollo RTP - RTCP (RFC 1889) (Real Time Protocol e RT Control Protocol) /3 TCP IP RTP - RTCP UDP Aggiunge i servizi che permettono il trasporto di traffici multimedia, stream e il controllo della qualità anche in multicast

28 RTP Adatto a trasportare singoli flussi di traffico multimedia Introduce meccanismi di sequenzializzazione, di sincronizzazione intra e inter-flusso di identificazione dei singoli contributi di descrizione di codifica del payload (payload headers) E aperto al trasporto e codifica di nuove tipologie

29 Header RTP 1 32 V P X CC M PT N. sequenza Timestamp SSRC - Sync. Source Identif. CSRC - Contributing Source Identif. bit 12 BYTE Optional Header Extension V=version, P=padding, X= extension, CC=CSRC counts, M=marker, PT=payload type

30 Payload Type Payload Type Number Audio Format Sampling Rate Velocità 0 PCM µ -law 8 KHz 64 Kbps KHz 4.8 Kbps 3 GSM 8 KHz 13 Kbps 7 LPC 8 KHz 2.4 Kbps 9 G KHz Kbps 14 MPEG Audio 90 KHz - 15 G KHz 16 Kbps i payload type sono definiti in RFC separati che se approvatedefiniscono nuovi payload number standard il sampling rate definisce il passo di incremento del time stamp

31 Time-stamp inizializzato ad un valore casuale incrementato di 1 unita per campione (es per segmento vocale di 20 ms campionato a 8 KHz) salti nei valori ricevuti di time-stamp vengono interpretati come silenzi

32 SSRC (synchronization( source) numero che identifica la sorgente del flusso viene estratto casualmente da ogni sorgente nel caso di presenza di mixer identifica il mixer e non la sorgente originale se più sorgenti scelgono lo stesso numero esistono delle procedure per la risoluzione delle collisioni

33 RTP Translator e mixer PC SSRC=678 PCM A-law GSM sincronizza le sorgenti, esegue il missaggio, genera il nuovo timing PC Translator SSRC=256 SSRC=678 SSRC=345 Mixer SSRC=987 SSRC=987 CSRC=678,345 LPC-10 SSRC=

34 RTCP Protocollo compagno di RTP (stesso header) (uno per flusso) Fornisce meccanismi per un semplice controllo e ausilio di RTP (su altra porta) (una coppia di porte per ogni flusso) Utilizza diversi messaggi, anche cumulativi: Sender Reports (SR) per descrivere i dati e i tempi assoluti Receiver Reports (RR) per feedback sul Loss Rate e Jitter Source Descriptor (SD) identifica la sorgente del flusso (CNAME) e permette il controllo della sessione BYE Funzioni specifiche dell applicazione

35 La segnalazione

36 Le reti telefoniche private Connessioni interne Multiplazione Servizi Nodi di rete privata Rete pubblica Dati PC PBX E1 FAX multiplexing

37 PBX: Private Branch exchange Connessioni interne a commutazione di circuito a 64 kb/s Interfaccia analogica standard Interfaccia numerica proprietaria PBX Interfaccia ISDN Interfaccia proprietaria con tasti multifunzione

38 Integrazione fonia-dati Compressione fonia PC PC Router PBX RX MPX TDM Porta dati con velocità a scelta

39 Rete privata RX PBX PBX PBX RX RX

40 Voice over IP PBX Router gateway PBX IP PBX Tunneling in rete IP Garanzie di QoS per voce?

41 Integrazione completa Router gateway PBX Routing della voce effettuato dalla rete (router) PBX IP PBX Il PBX deve comunicare l informazione di routing (basic call) al ROUTER e colloquiare con gli altri PBX della rete per i servizi supplementari possibile solo con protocolli proprietari o QSIG

42 IP Telephony Router gateway PC PC

43 Segnalazione per IPTel H.323 (ITU) SIP (IETF)

44 Funzioni della segnalazione Nella rete telefonica la segnalazione ha uno scopo molteplice. Essa colloquia con la rete, per instradare la chiamata e prenotare i circuiti con il chiamato per instaurare la chiamata con la rete per fornire servizi aggiuntivi Sulla base della segnalazione la rete predispone servizi per il controllo d accesso identificare il chiamato/chiamante predisporre la documentazione d addebito

45 Funzioni della segnalazione Sulla rete IP la segnalazione può essere ridotta al minimo perchè l indirizzo IP è fornito sulla base del nome ( address) da meccanismi DNS l instradamento dei flussi stream è effettuato normalmente dal protocollo IP Potrebbe essere sufficiente l aggiunta di un protocollo di connessione (alerting dell utente chiamato) un protocollo di Session Negotiation (capacità dei terminali, diversi media streams, )

46 Funzioni della segnalazione In realtà esistono funzioni di controllo controllo degli accessi controllo delle risorse (QoS) controllo di sessioni multiparty tariffazione che rendono necessario l utilizzo, o meglio il filtro, di particolari server e relativi protocolli (segnalazione). Altri server sono poi necessari per l erogazione di servizi di rete quali quelli forniti oggi dalla rete IN

47 SIP E l alternativa IETF alla segnalazione H.323 nata a partire dal 1995 nel WG MMUSIC sfociata nel 99 nella RFC 2543 (46 pagine) evoluta al 11/2000 nel Draft rfc2543bis-02 (171 pagine) Sostituita nel giugno 2002 da RFC

48 SIP serve a iniziare, modificare e terminare sessioni relative ad applicazioni multimedia: chiamate telefoniche multiparty conference con più flussi multimediali real-time e non real-time ma anche: instant messaging event notification distributed games

49 SIP usa o collabora con altri protocolli definiti dall IETF che compongono la suite di protocolli per applicazioni multimediali SDP - Session Description Protocol (RFC 2327) RTP - Real Time Protocol (RFC 1889) RTCP - Real Time Control Protocol RTSP - Real Time Streaming Protocol MGCP Media Gateway Control Protocol

50 SIP compiti gestisce lo scambio per la instaurazione e la gestione della sessione, ma per i flussi relativi alla sessione non si preoccupa: del trasporto (si fa uso al solito di RTP) del monitoraggio della qualità (RTCP) della descrizione dei flussi della sessione (messaggi SDP sono incapsulati in messaggi SIP)

51 Identificativi SIP l identificativo è dell utente (o del terminale) è garantita la mobilità dell utente che può accedere al servizio da terminali diversi (personal mobility) e per questo sono richieste le funzioni di Registration User Location inoltre l identificativo d utente può essere allo stesso tempo associato a terminali diversi (con capabilities diverse, come videotelefono, portatile, segreteria telefonica, ecc.) più identificativi possono essere associati allo stesso terminale

52 SIP: identificativi l identificativo è dell utente (livello applicativo) (come per l ) e non del terminale (di rete) è un Uniform Resource Identifier - URI: Es

53 Protocollo SIP I messaggi di SIP sono implementati in modalità testuale come in molti altri protocolli applicativi IP (es. HTTP, SMTP, ecc.) SIP è un protocollo di tipo client-server CLIENT richieste risposte SERVER negli elementi di rete sono normalmente implementati sia la parte client che la parte server

54 SIP methods Le richieste dei clients si chiamano methods INVITE ACK BYE CANCEL OPTIONS REGISTER Inizia la chiamata invitando un utente ad una sessione conferma la avvenuta connessione termina (e trasferisce) la chiamata resetta la chiamata chiede informazioni sulle capabilities registra presso il location service Non si assume affidabilità. Le richieste possono essere ritrasmesse

55 SIP response codes le risposte contengono un codice che descrive l esito dell elaborazione della richiesta da parte del server 1xx continue (request received, continuing) 2xx success 3xx redirection (further action needed) 4xx client error (request cannot be fulfilled) 5xx server error (failed to fulfill) 6xx global failure (request not fulfilled at any server)

56 SIP response codes 100 continue 180 ringing 181 forwarding 182 queuing 200 OK 300 multiple choices 301 moved permanently 302 moved temporarily 400 bad request 401 unauthorized 403 forbidden 404 not found 408 request timeout 480 Unavailable 481 Invalid Call-ID 482 Loop detected 500 internal error 501 not implemented 600 busy 601 decline 604 does not exist 606 not acceptable

57 SIP transaction richieste e risposte sono raggruppate in SIP transactions una transaction è composta: una richiesta eventuali risposte di call progress (1xx) una risposta finale (solo per i messaggi di INVITE) un ACK finale (altra transazione senza risposta) che conferma l apertura della sessione

58 SIP transaction Instaurazione di una sessione INVITE: 100 PROGRESS 200 OK ACK:

59 SIP message Formato delle richieste: INVITE SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP proxy.cs.columbia.edu Via: SIP/2.0/UDP sipserv.elet.polimi.it From: To: Call-Id: CSeq: 1 INVITE Subject: meeting. Content-Type: application/sdp Content-Length:... Contact: corpo messaggio SDP Method Header Message body

60 SIP message Formato delle risposte SIP/ OK Via: SIP/2.0/UDP proxy.cs.columbia.edu Via: SIP/2.0/UDP sipserv.elet.polimi.it From: To: Call-Id: CSeq: 1 INVITE Subject: meeting. Content-Type: application/sdp Content-Length:... Contact: corpo messaggio SDP Method Header Header variato Message body

61 SIP elementi di rete Proxy server Registrar User Agent (UA) IP network UA

62 UA: SIP UA genera le richieste (UA client) ed è anche, normalmente, il destinatario finale (UA server) esempi: internet phones, software per teleconferenza, caselle vocali, ecc. UA client INVITE: 100 PROGRESS 200 OK ACK: UA server

63 SIP Registrar all interno di un dominio associa lo URI dell utente all indirizzo del terminale su cui l utente viene rintracciato uno UA per essere raggiungibile deve registrarsi presso i registrar inviando periodicamente un richiesta di REGISTER C->S:REGISTER sip:bell-tel.com SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP saturn.bell-tel.com From: Call-ID: CSeq: 1 REGISTER URI Localizz. Contact: Expires:

64 Localizzazione degli utenti Non viene specificato da SIP Di fatto il modo più semplice per implementare il servizio di localizzazione è quello di usare il DNS DNS query DNS server IP Address DNS query DNS server Proxy/Registrar IP Address

65 SIP Proxy server sono di fatto dei router di livello applicativo che instradano le richieste e le risposte, in ingresso e/o in uscita DB Proxy INVITE: Proxy Registrar INVITE: henning 200 OK ACK: henning 200 OK ACK: ACK: 200 OK INVITE:

66 Servizi di base: Call forwarding shannon.elet.polimi.it INVITE SIP/2.0 To: Cseq: 1 INVITE 1 SIP/ Trying 2 SIP/ Ringing 7 SIP/ OK To: Cseq: 1 INVITE Contact: 9 proxy sip.columbia.edu ACK SIP/ INVITE SIP/2.0 To: 4 3 SIP/ Moved Temporarily Contact: INVITE SIP/2.0 To: 5 SIP/ Ringing 6 8 SIP/ OK To: Cseq: 1 INVITE Contact: play sec

67 Servizi di base: mobilità personale Si intende la possibilità di raggiungere un utente anche quando si serve di un altro host-dominio REGISTRAZIONE presso il proprio server 2 - INVITE 3 - SIP/ Moved Temp. sip.polimi.it sip.teach.it 4 - INVITE 1 - REGISTER Home domain Foreign domain

68 Servizi di Telefonia in SIP Molti servizi telefonici classici sono già forniti dalla modalità operativa base di SIP; ad esempio: caller ID number mapping (numeri 800) call forwarding call hold L idea base di questi sistemi è però diversa: non considerare un insieme di servizi da fornire ma un insieme di strumenti con il quale i servizi possono essere creati o adattati da parte dell utente o operatore o fornitore di servizi

69 SIP: creazione di servizi Essendo molto simile nella sintassi, SIP si può facilmente integrare con altri applicativi IP per fornire nuovi servizi non disponibili nelle reti telefoniche classiche Esempi: instant message when busy se il chiamato è occupato in un altra conversazione, il chiamante può fargli pervenire direttamente un instant message per avvisarlo lo stesso di qualcosa

70 SIP: creazione di servizi forward to se il chiamato non può rispondere, le informazioni sulla la chiamata ricevuta vengono inviate per redirection to web il chiamante si può presentare con una web page ricca di informazioni e figure il chiamato può mettere in attesa il chiamante con una pagina web che contiene informazioni utili

71 Esempio Utilizzo di applicazioni per la rivelazione della presenza presso un terminale 1 Invites Conversation 2 Embedded Presence Projection 3 One Click ecall servizio HearMe

72 Esempio Utilizzo di applicazioni per la messaggistica di tutti i tipi Servizio di messag

73 Esempio: PIZZERIA Quando viene fatta una chiamata ad una pizzeria il proxy automaticamente visualizza presso il client il menu in forma di documento http ASB SIP UA Proxy SIP UA User at Home Pizza Company

74 SIP: creazione di servizi SERVICE LOGIC Programming Interface CPL SIP JAVA SERVLETS SIP CGI SPECIAL SERVERS Requests Requests Responses SIP SERVER Responses Un servizio in SIP influenza di fatto solo il modo con il quale i messaggi di richiesta vengono inoltrati dai server e come gli header dei messaggi vengono riscritti dal server prima dell inoltro

75 SIP: creazione di servizi DOWNLOAD SERVLETS CREAZIONE DI CODICE CPL/XML CON INTERFACCE GRAFICHE PER L UTENTE SERVICE LOGIC CPL SIP JAVA SERVLETS SIP CGI SPECIAL SERVERS UPLOAD CPL SCRIPTS SIP DEVICE SIP SERVER SIP SERVER Un enorme insieme di possibilità è offerto dal fatto che la logica con la quale vengono costruiti i servizi può essere trasportata all interno dei messaggi SIP I pezzi di codice costituiscono agenti mobili che implementano il servizio in modo distribuito (active networks)

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