Reti di Trasporto Ing. Stefano Salsano AA2007/08 - Blocco 4

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1 Reti di Trasporto Ing. Stefano Salsano AA2007/08 - Blocco 4 1 Programma del corso Rete di accesso e rete di trasporto Tecniche di multiplazione, PCM, PDH SDH Evoluzione tecnologie per reti per dati ATM IP su ATM MPLS Trasporto voce su IP Esercizi, routing IP, OSPF, OSPF-TE 2

2 Voice over IP, IP Telephony, Internet Telephony Circuit switched voice networks Phone-to-phone PC-to-PC o IP-to-IP PC-to-phone o IP-to-phone Circuit switched voice networks PSTN Vocal Gateway PSTN GSM ISDN Internet/Intranets (IP based packet networks) ISDN GSM 3 La sigla VoIP ( Voce su IP o Voice over IP ) rappresenta l insieme delle tecniche che consentono di trasferire il segnale vocale su una rete IP. Si utilizzano anche le denominazioni IP telephony o Internet telephony. Le tre denominazioni sono spesso usate come sinonimi, ma... Voice over IP : supporto di comunicazioni vocali usando il protocollo IP su Internet o su delle Intranet. E il termine più generale, il percorso dei flussi vocali puoi essere intereramente o parzialmente su una rete IP Se si usa IP telephony o Internet telephony vuol dire che almeno uno dei terminali deve stare su IP, il servizio non è quello della rete telefonica tradizionale (PSTN). In particolare Internet Telephony rappresenta un servizio sulla rete Internet (best-effort), mentre IP telephony è in teoria più generico, ma è tipicamente usato per un servizio offerto su una Intranet o comunque da un provider. 4

3 Vi sono diversi scenari di utilizzo della voce su IP: Phone-to-phone, PC-to- Phone (detto anche IP-to-phone ), PC-to-PC (detto anche IP-to-IP ). Lo scenario Phone-to-phone prevede che ci siano due telefoni tradizionali (ossia su tecnologia a circuito) che parlino tra di loro. La tecnologia a circuito può essere la PSTN, la rete cellulare, oppure un centralino aziendale (PABX) tradizionale. Una parte del flusso vocale tra i due telefoni è trasferita utilizzando la voce su IP, idealmente senza che i terminali se ne accorgano. Ad esempio le chiamate interurbane nella rete di Telecom Italia da pochi anni viaggiano su un backbone IP per quanto riguarda il trasporto tra centrali. Lo scenario prevede che vi siano degli apparati detti gateway che convertano la chiamata a circuito in un flusso di pacchetti e viceversa. 5 Lo scenario PC-to-PC rappresenta una comunicazione che viaggia interamente su reti IP. Viene indicato in questo modo perché originariamente questo scenario si realizzava tra due PC utilizzanti un software per fare la co/decodifica della voce e per inviare e ricevere i pacchetti vocali sulla rete IP (e cuffia e microfono per parlare). Attualmente è sempre possibile realizzare la comunicazione in questo modo, ma sono disponibili anche telefoni dalla forma tradizionale che operano utilizzando la voce su IP. Per questo si può indicare come scenario IPto-IP. Ad esempio nelle aziende che implementano centralini con Voce su IP, i telefoni VoIP sostituiscono il telefono tradizionale sulle scrivanie dei dipendenti. Lo scenario PC-to-phone prevede che uno dei due terminali sia su una rete IP, mentre l altro sia in una rete a circuito. Anche in questo scenario è ovviamente necessaria la presenza di un elemento gateway che faccia parlare la rete IP con la rete a circuito. 6

4 Scenari VoIP Phone-to-phone GSM PSTN Gateway IP network PSTN Gateway PC-to-phone (IP-to-phone) PC-to-PC (IP-to-IP) VoIP general architecture 7 Voice coding and packetization System Management Security, Addressing, Accounting Requirements: Latency, Packets loss Limited Delay, Jitter Speech Representation And Coding PSTN/IP Interworking Telephone Call Control Packet Transport PSTN/IP Interworking: Gateways between networks Signaling Protocol and Service Transparency regardless the used technology 8

5 L architettura di un sistema VoIP può essere decomposta in tre piani diversi: il primo contiene gli elementi strettamente necessari per una comunicazione VoIP in ambito puramente IP. Il secondo considera gli aspetti di interlavoro tra i sistemi VoIP e la telefonia a circuito, il terzo include tutti gli aspetti di gestione del servizio come la sicurezza, la misura dell uso del servizio, la fatturazione. A sua volta il primo piano può essere diviso in: - Codifica e decodifica del segnale vocale - Segnalazione per l instaurazione e l abbattimento delle sessioni - Trasporto dei pacchetti IP con la qualità necessaria 9 VoIP general architecture Segnalazione Co-decodifica della voce Trasporto IP Co-decodifica della voce 10

6 Codifica della voce La codifica della voce» Si passa dai 64 kb/s della codifica PCM G.711 a bit rate inferiori es. 13 kb/s (gsm), 8 kb/s (G729), 5.3 kb/s (G723) Si possono avere codifiche a qualità migliore della voce telefonica tradizionale (es. Skype)» Wideband VoIP 16khz» Skype has a proprietary codec, Speex is open source 11 Codifica della voce year 12

7 La codifica della voce a pacchetto può essere fatta utilizzando diversi algoritmi di codifica (basta che trasmettitore e ricevitore siano concordi!!) che differiscono per qualità della voce, complessità elaborativa, capacità di trasporto richiesta (bit/s) ritardo che introducono (ms). La codifica di base è quella PCM che come è noto richiede 64kb/s. Tale codifica è detta anche G.711 dal nome della raccomandazione ITU che la specifica. Esempi di altre codifiche sono rappresentate nella figura precedente. I valori di ritmo binario (bit/s) riportati nella figura si riferiscono al bit/rate del flusso vocale al netto degli overhead introdotti dai protocolli utilizzati per trasportarlo. (IP, UDP e vedremo RTP). 13 La codifica vocale introduce dei ritardi: - Processing delay: il tempo che il coder impiega per effettuare l operazione di codifica. Questo tempo ovviamente dipende dal tipo di algoritmo di compressione utilizzato, dall implementazione dello stesso e dalla potenza di calcolo della macchina. Questo tipo di ritardo è in generale trascurabile rispetto agli altri due. - Frame size delay: per effettuare la codifica il coder ha bisogno di collezionare una serie di campioni in un buffer per poi elaborarli. Ovviamente questo buffer introduce un certo ritardo, detto frame size delay, che dipende esclusivamente dal tipo di algoritmo di codifica utilizzato. - Look ahead delay: per migliorare la qualità della codifica, alcuni algoritmi collezionano anche alcuni campioni vocali del frame successivo introducendo altro ritardo, il cosiddetto look ahead delay. 14

8 Trasporto nei pacchetti IP IP: Internet Protocol» Intestazione IP: 20 bytes (indirizzo IP di origine, indirizzo IP di destinazione ) UDP: User Datagram Protocol» nessuna ritrasmissione, nessun controllo di flusso (a differenza del TCP!) Intestazione UDP: 8 bytes (port identifier, ) RTP: Real Time Protocol» Intestazione RTP: 12 bytes Payload: flusso vocale o multi-mediale condification (esempio 20 bytes ogni 20 ms) IP UDP RTP Payload 40 bytes 20 bytes 15 Voice over IP: headers overhead IP Header UDP Header RTP Header Version HLen TOS Total Length Identification F Fragment Offset TTL Protocol Header Checksum Source Address Destination Address Source Port Destination Port Message Length Checksum (optional) V=2 P X CC M PT Sequence Number Time Stamp Synchronization SouRCe (SSRC) identifier 20 bytes 8bytes 12 Bytes Payload 16

9 Codifica della voce Il trasporto su IP introduce vari overhead: es. 29 kb/s (gsm), 24 kb/s (G729), 21.3 kb/s (G723) La soppressione del silenzio o Voice Activity Detection (VAD) riporta i bit rates medi intorno a: es. 13 kb/s (gsm), 11 kb/s (G729), 9,5 kb/s (G723) 17 Il Voice Activity Detection (o soppressione del silenzio) consiste nel rilevare se una sorgente vocale è attiva o in silenzio e nel trasmettere il flusso vocale solo se la sorgente è attiva. Dato che in una conversazione normalmente uno dei due interlocutori parla e l altro ascolta (e in più ci sono degli intervalli in cui entrambi sono silenti), si riesce a ridurre molto il bit rate (fino al 40% del valore di una trasmissione continua ). Dato che la sensazione di silenzio all altro capo può disturbare (non si ha la percezione che la chiamata sia ancora attiva) si può aggiungere a destinazione il cosiddetto confort noise o rumore di conforto, che è un rumore fittizio generato a destinazione. 18

10 La soppressione del silenzio evita l invio dei pacchetti IP nei periodi di silenzio. Se si applica ad un codificatore di tipo CBR (a bit rate costante) quindi la sorgente vocale può essere rappresentata con una sorgente ON/OFF, che emette ad un ritmo costante e pari al ritmo di codifica (più gli overhead dovuti al trasporto su IP) durante i periodi di attività e non emette nei periodi di silenzio. Il trasporto dei pacchetti 19 Il trasporto dei pacchetti» Trasferisce i flussi vocali da un utente all altro utilizzando la rete IP e in particolare i protocolli: RTP, UDP, IP È necessario che siano rispettati dei vincoli relativamente alla perdita, al ritardo e alla variabilità del ritardo (jitter) ossia controllare la QoS (Qualità del Servizio)» Questi meccanismi non sono integrati direttamente nelle architetture per la VoIP (a differenza di quanto accade nella rete telefonica) 20

11 Requisiti per il trasporto della Voce I problemi per il trasporto della voce sono: loss (perdita) delay (ritardo) delay variation, detta anche jitter (Variazione del ritardo jitter) Questi inconventi hanno un impatto negativo sulla qualità della voce Per misuarare la qualità della voce si utilizza una misura soggettiva, detta Mean Opinion Score (MOS). Il MOS si ottiene facendo ascoltare un flusso vocale ad un largo insieme di giudici che ne danno una valutazione. 21 Speech quality: Mean Opinion Score (MOS) Rating Speech Quality Level of Distortion 5 Excellent Imperceptible 4 Good Just perceptible, not annoying 3 Fair Perceptible, slightly annoying 2 Poor Annoying but not objectionable 1 Unsatisfactory Very annoying, objectionable MOS of 4.0 = Toll Quality ossia la qualità di una chiamata interurbana. N.B. Toll significa a pagamento,, la notazione deriva dal fatto che negli USA le chiamate urbane sono gratuite, mentre quelle interurbane sono a pagamento 22

12 End-to-end delay components End-to-end delay is given by :» Fixed component:» processing delay (voice coding and packetization)» propagation delay» serialization delay» Variable component» Delay introduced by the network (queuing delay, packet processing)» Variable packet sizes 23 Analizziamo ora le componenti di ritardo da estremo ad estremo relative al trasferimento di un flusso vocale. Il ritardo si compone di una parte fissa e di una parte variabile. La parte fissa del ritardo è a sua volta composta dal ritardo di processamento (relativo alla codifica vocale e alla pacchettizzazione della voce), dalla somma dei ritardi di propagazione in tutti i collegamenti di rete, dalla somma dei ritardi di serializzazione in tutti i collegamenti di rete. Per ritardo di serializzazione si intende il tempo che passa dalla trasmissione del primo bit alla trasmissione dell ultimo bit sul canale: se L è la lunghezza del pacchetto [bit] e C la capacità di un canale [bit/s] il ritardo è: L / C [s] 24

13 Fixed Delay Components Propagation Delay Serialization Delay Buffer to Serial Link Processing Delay VoIP phone PC Propagazione circa 6 microsecondi per chilometro Serializzazione: per ogni collegamento i, è dato dalla lunghezza del pacchetto L [bit] diviso la capacità della linea Ci [bit/s]: L/Ci Processamento della voce»codifica/decodifica»pacchettizzazione 25 Fixed Delay Components Propagation Delay Serialization Delay Buffer to Serial Link Processing Delay Telefono tradizionale Gateway Gateway Telefono tradizionale Nel caso Phone to Phone il tratto VoIP inizia e termina sui Gateway che includono le funzionalità di co-decodifica 26

14 Fixed Frame Serialization Delay Matrix Frame Size L 1 Byte 64 Bytes 128 Bytes 256 Bytes 512 Bytes 1024 Bytes 1500 Bytes 56kbps 143us 9ms 18ms 36ms 72ms 144ms 214ms Link Speed C 64kbps 128kbps 256kbps 125us 62.5us 31us 8ms 4ms 2ms 16ms 8ms 4ms 32ms 16ms 8ms 64ms 32ms 16ms 128ms 64ms 32ms 187ms 93ms 46ms 512kbps 15.5us 1ms 2ms 4ms 8ms 16ms 23ms 768kbps 10us 640us 1.28ms 2.56ms 5.12ms 10.24ms 15ms 1536kbs 5us 320us 640us 1.28ms 2.56ms 5.12ms 7.5ms 27 La parte variabile è data dal tempo di accodamento dei pacchetti nelle code dei collegamenti e (in parte molto minore) dalla differente lunghezza che potrebbero avere i pacchetti di un flusso. La variabilità del ritardo viene compensata da un cosiddetto buffer di de-jitter che è logicamente anteposto al decodificatore. 28

15 Variable Delay Components Queuing Delay Queuing Delay Queuing Delay Dejitter Buffer Queuing delay Variable packet sizes Dejitter buffers compensate the variable component 29 Variable Delay Components Queuing Delay Queuing Delay Dejitter Buffer Nel caso Phone to Phone il de-jitter buffer è nel Gateway dove viene infatti effettuata la decodifica 30

16 Delay Variation Jitter Sender Receiver Network A B C A B C D 1 D 2 = D 1 D 3 = D 2 Sender Transmits t Sink Receives t 31 Sender Dejitter buffer Receiver C 20ms 20ms B A Rete IP Dejitter Buffer RTP Timestamp From A Interframe gap of 20ms 10ms 80ms 20ms 20ms C B A C B A RTP Timestamp From A Delitter Buffer removes Variation RTP Timestamp From A Variable Interframe Gap (Jitter) De-jitter buffer or playback buffer can accommodate some delay variation

17 End-to-end delay budget Annoying Good 150ms 250ms Poor 450ms 0 Standard Thresholds ITU -T G.131 ITU -T G.114 ITU -T G ms ms ms ms ms ms Echo Echo Delay Natural Natural Delay not not Perceived Perceived Canceller Interaction Canceller in in Most Most Cases Cases Interaction Limit Limit 33 End-to-end delay budget Assumiamo che non ci sia buffer di de-jitter. Il ritardo endto-end è la somma delle componenti fisse e delle componenti variabili Dpre-dejitter = Ritardo fisso tot + Ritardo variabile tot Componenti di Ritardo fisso tot :» Ritardo di pacchettizzazione» Ritardo di processamento in codifica, incluso il ritardo di look-ahead» Ritardo di processamento in decodifica» Somma dei ritardi fissi su ogni collegamento di rete Il ritardo fisso su un dato collegamento di rete è dato dalla somma del tempo di propagazione e del tempo di serializzazione. 34

18 End-to-end delay budget Il ritardo variabile in ciascun collegamento si può esprimere con una distribuzione di probabilità, La distribuzione del ritardo variabile da estremo è dato dalla somma delle distribuzioni dei ritardi variabili in ciascun nodo. Per semplicità si può considerare come ritardo variabile il massimo della parte variabile del ritardo. In questa ipotesi i ritardi variabili ad ogni nodo si possono semplicemente sommare per ottenere il ritardo variabile totale. End-to-end delay budget 35 Con le ipotesi fatte sopra siamo in grado di calcolare Dpre-dejitter = Ritardo fisso tot + Ritardo variabile tot Se si vuole eliminare competamente il problema della variabilità del ritardo, il buffer di dejitter deve utilizzare un ritardo maggiore del ritardo variabile totale. Il ritardo percepito dagli utenti sarà pari a: Dpercepito = Ritardo fisso tot + Ritardo dejitter 36

19 Il piano di controllo - la segnalazione» I protocolli di segnalazione creano, modificano ed abbattono le sessioni» Coinvolgono, oltre ai terminali anche i server (Proxies, gatekeepers )» Le procedure di autenticazione si svolgono a questo livello» Non c è relazione diretta e standardizzata con i meccanismi di QoS delle reti SIP: architectural elements 37 Proxy Server Redirect Server Registrar Server IP network User Agent User Agent SIP Gateway PSTN 38

20 SIP call setup IP network User Agent User Agent INVITE ( audio G.729 ) 100 PROGRESS 200 OK SIP - SDP (UDP) ACK RTP Streams Media (UDP) 39 SIP principles - Client Server Proxy can be easily introduced in the call flows... Proxy Server INVITE Proxy Server Server Client 200 OK ACK Server Client Client INVITE 200 OK ACK INVITE 200 OK ACK Server User Agent User Agent 40

21 Principi del SIP Independenza della descrizione della sessione Il protocollo SIP è disaccoppiato dalla descrizione delle sessioni La sessione è descritta dal Session Description Protocol - SDP SIP trasporta gli elementi SDP come Payload SIP HEADER SDP PAYLOAD SDP - Session Description Protocol 41 Il protocollo SDP (Session Description Protocol, RFC 2327) consente ai terminali di descrivere i tipi di media (audio, video ) e le loro codifiche Non è in realtà un protocollo, ma una sintassi di descrizione SDP descrive gli indirizzi IP, le porte TCP/UDP, i tipi di codifica SIP trasporta le informazioni di SDP in modo trasparente 42

22 SIP VoIP protocol stack audio/video equipment audio/video coding RTP UDP session control SIP with SDP TCP or UDP IP* layer 2 technologies (ATM, Ethernet, PPP,...) * plus anything required for QoS guarantees (Diffserv, MPLS,...) Principi del SIP - Indirizzamento 43 Si indirizza l utente e non il terminale (come nella ) URL - Uniform Resource Locator sip:user@domain sip:stefano.salsano@uniroma2.it sip:salsano@ sip:1212@gateway.uniroma2.it sip: @gateway.com;user=phone sip:stefano@yahoo.com?subject=meeting sip:salsano@registrar.com;method=register 44

23 Principi del SIP - Indirizzamento Thanks to user based addressing provides SIP has built in Personal Mobility The user can access the service from different points and can associate different terminals with different capabilities (phone, videophone, answering machine) Registrar Server 45 SIP URLs sip:salsano@coritel.it:5060;user=ip; scheme user-name host port list of parameters sip: @gateway.com;user=phone The user parameter is used to determine if a telephone number is present in the user-name portion of the URL A SIP URL is resolved to an IP address using by using DNS lookups and (possibly) SIP servers and at the time of the call 46

24 SIP Registration REGISTER sip:uniroma2.it SIP/2. 0 From: sip:stefano.salsano@uniroma2.it To: sip:stefano.salsano@uniroma2.it Contact: <sip: > Expires: REGISTER Location Server 2 User Agent X 200 OK 3 Registrar Server This registration example establishes presence of user with address sip:stefano.salsano@uniroma2.it and binds this address to user s current location SIP URL resolution with DNS & proxy DNS server INVITE sip:stefano.salsano@uniroma2.it DNS SRV Query? uniroma2.it 1 User Agent Y 3 2 IP address of uniroma2.it SIP proxy server INVITE 200 OK Location Server uniroma2.it incoming proxy server INVITE sip: INVITE 200 OK 6 User Agent X User Agent Y wants to call sip:stefano.salsano@uniroma2.it 48

25 Outbound proxy - Proxy Chaining Location Server User Agent Y DNS server Outbound proxy server LAN uniroma2.it proxy server Internet User Agent stefano.salsano@uniroma2.it User Agent Z User Agent Y wants to call sip:stefano.salsano@uniroma2.it It has to use its own Outbound proxy server Segmentazione del mercato di un operatore La segmentazione fondamentale della clientela di un operatore distingue tra clientela di tipo:» Residenziale (anche detta consumer ): famiglie, SOHO (Small Office / Home Office)» Business : aziende 50

26 Operatore pubblico, accesso residenziale Trasporto di IP nel backbone Centrale telefonica Gateway PSTN IP network Centrale telefonica Gateway 51 Operatore pubblico, accesso residenziale Trasporto di IP anche all accesso ADSL Residential Gateway IP network PSTN Centrale telefonica Gateway 52

27 Accesso residenziale a larga banda: scenari ulteriori Gateway esterno Chiamate VoIP native Internet PSTN Centrale telefonica ADSL IP network Residential Gateway Gateway 53