Sistemi e servizi di comunicazione audio/video attraverso Internet: dalla telefonia su IP alla videoconferenza e la teledidattica

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1 Sistemi e servizi di comunicazione audio/video attraverso Internet: dalla telefonia su IP alla videoconferenza e la teledidattica Prof. Giovanni Schembra Dipartimento di Ingegneria Informatica e delle Telecomunicazioni Facoltà di Ingegneria Università degli Studi di Catania Ordine degli Ingegneri della Provincia di Catania - 27 ottobre

2 Sommario Introduzione Un po di storia VoIP e IP Telephony Vantaggi per utenti e gestori Le caratteristiche dell IP Telephony Codifica Trasporto e segnalazione Qualità del servizio Implementazioni open source e prodotti commerciali Il futuro della comunicazione multimediale su IP: Videoconferenza Teledidattica 2

3 Un po di storia della telefonia Centrale telefonica elettromeccanica L utente ha selezionato il numero Centrale telefonica digitale 9 Centrale telefonica manuale 3

4 Dalla telefonia classica e Internet all Internet Telephony VoIP e IP Telephony abilitare le reti telefoniche per l IP OGGI abilitare le reti IP per la telefonia Telefonia analogica Reti di dati (Internet) 4

5 Scenario di riferimento PHONE-TO-PHONE PHONE-TO-PC PC-TO-PC

6 VoIP e IP Telephony VoIP e IP Telephony Entrambi si riferiscono al trasporto di servizi di fonia su reti IP (Internet Protocol) in alternativa al trasporto su PSTN (Public Switched Telephone Network) VoIP (Voice over IP) Trasporto su reti IP di servizi voce real-time interattivi Localizzazione del chiamato Trasporto della voce: conversione A/D (analogico/digitale) e D/A della voce codifica trasporto su pacchetti IP segnalazione QoS (Quality of Service) 6

7 VoIP e IP Telephony IP Telephony Insieme di tutti gli elementi correlati al trasporto della voce su IP per servizi telefonici: Protocolli standardizzati per l interoperabilità fra dispositivi diversi e di diversi costruttori Scalabilità: gli operatori telefonici hanno normalmente milioni di utenti Affidabilità: necessità di riprodurre l affidabilità della telefonia classica (>99,999%) OBIETTIVO PRINCIPALE integrazione con la telefonia tradizionale 7

8 VoIP e IP Telephony PSTN PSTN GSM Rete IP (Internet/Intranet) GSM ISDN GATEWAY GATEWAY ISDN In breve: IP Telephony si prefigge lo scopo di riprodurre, integrare ed estendere su IP i servizi della telefonia tradizionale VoIP si può considerare svincolato dalla telefonia tradizionale 8

9 Perchè IP Telephony L integrazione di telefonia con IP rappresenta l opportunità di realizzare un sistema globale di comunicazione multimediale L aggiunta di video o altri stream non complica il problema Approccio precedente: integrazione end-to-end di dati su reti fonia ISDN ATM Approccio di IP-Telephony: integrazione di fonia su reti dati Vantaggi per l utente Vantaggi per il gestore 9

10 Vantaggi per l utente Utilizzo di apparati intelligenti (PC) che permettono di programmare direttamente servizidichiamatae dirisposta programmazione di call forwarding es: a tale ora chiama questo numero e, per mancata risposta, trasferisci su voice mail mobilità e portabilità del numero l identità dell utente, sganciata dall indirizzo di rete, consente l indirizzamento alla persona ovunque sia 10

11 Vantaggi per l utente 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 possibilità di connessioni diverse contemporaneamente possibilità di utilizzo da casa per telelavoro Qualità regolabile le chiamate possono essere scelte o programmate con qualità decisa dall utente in modo da massimizzare il rapporto costo/prestazioni 11

12 Vantaggi per il gestore Unificazione della gestione fonia / dati Facilità di offrire servizi su reti IP Gestione semplificata della fonia con interfacce standard e user-friendly Unificazione di servizi voce/dati: call center, WEB, Interactive Voice Response (IVR) directory, security, certificazioni Facile espandibilità di servizi Minor costo di servizi ed hardware 12

13 Un po di terminologia Terminale (end-point) elemento finale di una comunicazione hardware o software traffico supportato: audio, video, dati (chat, whiteboard) ogni terminale ha associato almeno un indirizzo IP Hardware Software 13

14 Un po di terminologia Server Nodo su cui i terminali si registrano con un identificativo infatti, chiamare direttamente l IP del terminale: non è user-friendly è estremamente complicato se in presenza di DHCP Il server crea un mapping fra indirizzo IP e Alias Alla ricezione di una chiamata il server cerca di risolvere l indirizzo IP del destinatario Principali funzioni: Autenticazione Registrazione Autorizzazione Accounting 14

15 Un po di terminologia Gateway Consente a telefoni di diverse tecnologie di comunicare tra di loro ISDN-H.323, H.323-SIP, IPv4-IPv6, etc.. Si occupa della trasposizione di segnalazione e codifica Conference Bridging Consente conferenze audio/video (e dati) a 3 o più partecipanti mix di audio e video il supporto del carico computazionale può avvenire con server dedicati 15

16 VoIP: elementi di base Codifica della voce Trasporto Segnalazione Qualità del servizio (QOS) 16

17 Codifica della voce 17

18 Codifica della voce La voce per poter essere trasmessa su reti digitali a pacchetto deve essere: Digitalizzata Codificata Pacchettizzata Digitalizzazione del segnale vocale: Campionamento: prelievo di campioni con una certa frequenza di campionamento (es khz, 8 khz) Quantizzazione: suddivisione dei livelli di ampiezza in un numero finito di valori Codifica di sorgente: trasformazione in bit 18

19 Codifica di canale e pacchettizzazione La sequenza di bit così ottenuta corrisponde ad una sequenza non codificata. Es.: voce telefono: 8 khz x 8 bit = 64 kbps CD: 2 canali x 44.1 khz x 16 bit = ~ 1.4 Mbps Codifica della sequenza per i seguenti motivi: compressione (motivo principale): determina l occupazione di banda adattamento alle condizioni di QoS di una rete IP (tiene conto del fatto che il flusso viaggia su una rete a commutazione di pacchetto e non di circuito) Pacchettizzazione: la sequenza codificata viene suddivisa in pacchetti che sono quindi trasmessi sulla rete IP 19

20 Codifica della voce In ricezione il processo è quello inverso: decodifica conversione digitale/analogica (A/D) riproduzione in altoparlante 20

21 Codifica della voce standard di codifica W H W W W H H H V 21

22 Qualità del servizio (QoS) 22

23 La causa dei problemi Telefonia analogica tradizionale La commutazione di circuito viene assegnato un circuito end-to-end a banda costante (64 kb/s) ogni bit è trasferito con la stessa velocità (servizio sincrono) ritardi bassi e costanti (quasi) nessun jitter 23

24 La causa dei problemi VoIP e IP-Telephony NODO DI RETE La commutazione di pacchetto unità di trasferimento: pacchetto il trasferimento è asincrono i conflitti variano istantaneamente la banda disponibile e introducono ritardi variabili (jitter) 24

25 Cos è la QoS La QoS (Quality of Service) è un indice di qualità associato ai flussi informativi La QoS è influenzata da: banda disponibile ritardi jitter dei ritardi packet dropping blocking probability set-up delay Obiettivo: avere una QoS accettabile, confrontabile con quella della telefonia classica 25

26 Soglie di ritardo 26

27 Cause di ritardi in VoIP Compressione Framing Cattura suono Pacchettizzazione Processing nelle code dei router Playout Decompressione Resa suono Trasmissione Propagazione Pacchettizzazione procedura per cui uno o più segmentidivoce vengono raggruppati per la trasmissione su reti a pacchetto causa di ritardi qualora occorra l accumulo di più segmenti codificati per diminuire l overhead dei pacchetti 27

28 Cause di ritardi in VoIP Compressione Framing Cattura suono Pacchettizzazione Processing nelle code dei router Playout Decompressione Resa suono Trasmissione Propagazione Playout con Compensazione del jitter RETE 28

29 Trasporto e segnalazione 29

30 Trasporto e segnalazione Due componenti fondamentali della telefonia su IP sono: trasporto audio/video segnalazione Trasporto audio/video si utilizzano protocolli progettati per la trasmissione in tempo reale di audio e video su reti IP Segnalazione localizzazione del dispositivo remoto negoziazione dei parametri di comunicazione 30

31 I protocolli di trasporto classici TCP è un protocollo END-to-END di livello 4. 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 I punti 3 e 4 non lo rendono adatto a traffico real time UDP è un protocollo che: non garantisce la consegna non garantisce l ordine non esercita alcun controllo Vanno aggiunti strumenti per la gestione della QoS 31

32 Protocolli standard per il trasporto Protocolli per la trasmissione in tempo reale di dati su reti IP (RFC 3550, 2003) RTP (Real Time Protocol) fornisce funzioni di trasporto end-to-end su rete IP adatte a flussi audio/video RTCP (Real time Control Protocol) protocollo con funzioni di controllo e monitoraggio Entrambi utilizzano il protocollo UDP 32

33 Segnalazione nella rete telefonica classica Nella rete telefonica classica la segnalazione ha lo scopo di: instradare la chiamata e prenotare i circuiti per instaurare la chiamata tra utenti gestire servizi aggiuntivi Sulla base della segnalazione la rete predispone servizi per: il controllo d accesso l identificazione del chiamato/chiamante la creazione della documentazione d addebito 33

34 Indirizzamento nella IP Telephony Un utente deve poter essere identificato univocamente, indipendentemente dalla sua posizione (ovvero dal suo indirizzo IP) La telefonia tradizionale per la numerazione utilizza lo standard E.164 identificativo composto al massimo da 15 cifre con un segno + iniziale: La IP Telephony utilizza 2 tipi di identificativi: URI (RFC 2396) numerazione E

35 Indirizzamento nella IP Telephony URI (Universal Resource Identifier) ha lo stile di un indirizzo di posta elettronica: utilizza uno spazio di nomi registrati e serve a descrivere una risorsa indipendentemente dalla sua posizione sip:user@domain.cc Vantaggio: essere mnemonico Svantaggi: rappresentare male la numerazione della telefonia tradizionale problemi di integrazione tra telefonia tradizionale e telefonia IP 35

36 Segnalazione per IP Telephony H.323 (ITU) SIP (IETF) 36

37 Protocollo H.323: caratteristiche generali Raccomandazione (insieme di protocolli) per sistemi di comunicazione multimediale basati su reti IP Inizio lavori nel 1995; prima versione nel 1996 Protocolli specificati dalla raccomandazione: H.225 (RAS, Q.931) H.245 RTP/RTCP audio/video codec T.120 H.323 fa parte di una serie di standard di comunicazione (nota come H.32X) che consentono la videoconferenza su una gamma di reti: H.320 per rete ISDN H.324 per rete PSTN Buona interoperabilità con la telefonia tradizionale 37

38 Protocollo H.323: architettura Q.931: utilizzato per le fasi di instaurazione e terminazione di chiamata H.245: utilizzato per lo scambio di capabilities tra i terminali RTP: Real Time Transmission Protocol RTCP: Real Time Control Protocol RAS: Registration, Admission, Status 38

39 Protocollo H.323: elementi architetturali TERMINALE Hardware o software, supporta comunicazioni real-time bidirezionali con altre entità H.323 Caratteristiche richieste codec audio (almeno G.711) RTP, RTCP Protocolli di segnalazione H.323 H.225 (RAS, Q.931) H.245 Caratteristiche opzionali codec video trasmissione dati (chat, whiteboard, file sharing) 39

40 Protocollo H.323: elementi architetturali Gatekeeper È un elemento chiave di un architettura H.323 (anche se nella specifica è considerato opzionale) Funzioni Gestione di una zona (ovvero delle entità H.323 ad esso registrati) con la registrazione dei terminali Localizzazione e traslazione degli indirizzi: (H.323ID e/o E.164) --> indirizzo IP Instradamento delle chiamate Admission Control Authorization control GK GK Gestione della banda Zona Zona H.323 H.323 Zona H

41 Protocollo H.323: elementi architetturali Gateway È un interfaccia fra mondi diversi SIP <-> H.323 H.323 <-> ISDN... PSTN Si occupa di tradurre: segnalazione trasporto (transcodifica) GW H.323 SIP 41

42 Protocollo H.323: elementi architetturali MCU: Multipoint Control Unit Server per conferenze multi-punto Modalità di funzionamento: Centralizzata: riceve i segnali (audio/video) di ogni terminale, effettua il mixing e lo rimanda a tutti Decentralizzata: gestisce solo la segnalazione; il traffico audio/video è inviato in multicast fra i vari terminali Mista: alcuni nodi sono in modalità centralizzata, altri in modalità decentralizzata La modalità decentralizzata richiede ai terminali: maggiore capacità computazionale (mixing) una maggiore banda una rete abilitata al multicast 42

43 Protocollo H.323: indirizzamento Alias H.323-ID Qualunque sequenza di caratteri - Basic ISO/IEC (Unicode) antonio-phone pippo@aaa.cnr.it Alias E

44 Protocollo SIP: caratteristiche generali SIP (Session Initiation Protocol) è un protocollo di livello applicativo utilizzato per: stabilire modificare terminare una sessione multimediale (es. telefonate, conferenze multiparty, ecc.) Utilizza un indirizzamento stile (URI: Uniform Resource Identifier). Es.: Per la trasmissione e il controllo della qualità del traffico multimediale utilizza RTP ed RTCP 44

45 Protocollo SIP: localizzazione degli utenti Non viene specificata da SIP Di fatto il modo più semplice per implementare il servizio di localizzazione è quello di usare il DNS 45

46 Protocollo SIP: elementi di rete User Agent (UA) entità logica che crea o riceve una nuova richiesta di fatto tutti i client SIP sono UA: telefoni hardware: Cisco 7960, 7920, Zyxel WiFi phone, telefoni software: X-Lite, X-pro, Eyebeam, SJPhone, Proxy Server entità logica che instrada le richieste e le risposte SIP verso gli User Agent (UA) può rispondere direttamente ad una richiesta SIP (in tal caso opera come UA) 46

47 SIP: elementi di rete Registrar Server un UA per essere raggiungibile deve registrarsi presso un Registrar Server inviando periodicamente un richiesta di REGISTER all interno di un dominio un Registrar Server associa l URI dell utente all indirizzo del terminale su cui l utente viene rintracciato 47

48 Protocollo SIP: creazione di servizi SIP si può facilmente integrare con altri applicativi IP per fornire nuovi servizi non disponibili nelle reti telefoniche classiche Es.: instant message when busy se il chiamato è occupato in un altra conversazione, il chiamante può fargli pervenire un instant message Es.: forward to se il chiamato non può rispondere, le informazioni sulla chiamata ricevuta vengono inviate per Es.: 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 48

49 Confronto H SIP Protocollo H.323: è stato implementato, rilasciato e diffuso prima (1996) è nato per integrare il mondo di telefonia classica con Internet per cui è più maturo nell interoperabilità con la PSTN è molto complesso e per motivi di compatibilità con le versioni precedenti diventa sempre più complesso Protocollo SIP: è stato rilasciato dopo H.323 (1999) è stato progettato pensando solo a Internet è meno complesso di H.323 Tutto lascia pensare che SIP sarà il futuro, ma sul lungo termine H.323 continuerà ad esistere ancora per lungo tempo 49

50 Soluzioni VoIP di Cisco 50

51 VoIP Soluzioni Cisco: VoIP e IP Telephony IP Telephony VoIP + IP Telephony 51

52 Funzionalità integrate nel router Funzionalità integrate: Gatekeeper Gateway (H.323, SIP, MGCP) IP PBX (Call Manager Express) Interactive Voice Response IVR Funzionalità solo software: Gatekeeper Call Manager Express (CME) IVR Funzionalità HW (del Sistema Operativo IOS): Gateway Answer Machine 52

53 Cisco IP PBX (Call Manager Express) Piattaforme che lo implementano: 1751, 2600XM, 2800, 3600, 3700, 3800 Max 240 telefoni (Cisco 3845) Complete funzionalità di Call Processing Per soluzioni da 240 a telefoni si passa a Call Manager su HW dedicato 53

54 Altri sistemi per VoIP e IP-Telephony 54

55 Soluzioni hardware e software Client software (softphone) SJPhone < client H.323 e SIP solo audio piattaforme: Windows, Linux, Mac OSX OhphoneX < client H.323 audio e video piattaforma: Mac OSX MyPhone < client H.323 audio e video piattaforma: Windows X-lite < client SIP audio (video nella versione a pagamento) piattaforme: Windows e Mac OSX 55

56 Soluzioni hardware e software Telefoni hardware Cisco IP Phone 7960,... Videotelefoni IP H.323 (Aethra) Innovaphone IP200, TipTel Stazione di videoconferenza FalconIP VCON Gateway Innovaphone IP3000 Innovaphone IP400 Cisco 2651XM + scheda VoIP NM-HDV-E1-30 Asterisk (software gratuito) 56

57 Skype Pricing model Skype to Skype Gratis Skype to Skype Costo della terminazione Fisso to Skype Costo della numerazione (flat) Offerta Client to Client (VoIP e Instant Messaging) 0,017 /min SkypeOut Tariffa unica per Europa Occ., USA, Cina, Australia SkypeIn Si ha un normale numero di telefono fisso. <1 /min Altre destinazioni: tariffe individuali Per l utente Instant messaging Comunicazione chat o VoIP con la community Funzionalità evolute: presence, file transfer, conference, Forte convenienza su traffico Internazionale Tariffazione indipendente dalla location (basta collegarsi ad internet) Assegnazione numerazione geografica Mobilizzazione del numero fisso (via Internet ricevo la chiamata ovunque): rerouting gratuito delle chiamate in arrivo via internet 57

58 I numeridiskype Più di 38 milioni di download di software Piùdi7 milionidiutentiiscritti Più di 1 milione di utenti on-line contemporaneamente Piùdi2 milionidiutention-line al giorno Più di 2.7 miliardi di minuti di servizio: minuti di chiamate gratuite Skype-to-Skype free Skype-to-Skype calls Sistemi operativi supportati: Windows, Mac OS X, Linux e Pocket PC 58

59 Il modello Jajah Step 1: Si inserisce il numero chiamante e quello chiamato Step 2: Il proprio telefono squilla e si attende la connessione al numero chiamato Step 3: Si effettua la conversazione al costo della terminazione Il servizio è stato lanciato da poco (febbraio 2006) ed al momento esistono limitazioni all utilizzo (es. in Italia non si possono ancora chiamare i cellulari Le tariffe sono allineate a quelle di Skype Il modello supera la barriera dell istallazione del Client su PC/PDA (la conversazione avviene tra due telefoni tradizionali) Il sistema di pagamento è un po rigido: ammette solo il pagamento con carta di credito 59

60 Videoconferenza e teledidattica 60

61 Il valore aggiunto rispetto a IP-Telephony Gestione della sessione Numero elevato di partecipanti Necessità di un moderatore Tool ausiliari Interfaccia utente 61

62 Gestione della sessione VIDEOCONFERENZA Conferenza Moderatore Speaking token 62

63 Gestione della sessione Teledidattica Moderatore Speaking token 63

64 Tool ausiliari Transfer Slider Chat Sharing Board Voting 64

65 Interfaccia utente Videoconferenza 65

66 Interfaccia utente Teledidattica Gestione dei partecipanti Tool di e-learning 66

67 Conclusioni VoIP e IP Telephony vantaggi rispetto alla telefonia classica standard di codifica e segnalazione qualità del servizio di VoIP Evoluzione verso servizi multimediali avanzati Videoconferenza Teledidattica 67

68 Dipartimento di Ingegneria Informatica e delle Telecomunicazioni (DIIT) Università degli Studi di Catania Grazie per l attenzione Giovanni Schembra Viale A. Doria, Catania t f schembra@diit.unict.it 68