VoIP. Introduzione. Telefonia VoIP Prima fase. Telefonia tradizionale

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1 Introduzione VoIP Introduzione Il VoIP (Voice over IP) è la trasmissione della voce in tempo reale su una rete IP Rispetto alla rete telefonica tradizionale (PSTN - Public Switched Telephon Network) Consente una potenziale riduzione del costo delle comunicazioni vocali a lunga distanza Apre la strada a nuovi e avanzati sistemi quali il video-conferencing, l'application-sharing, e il whiteboarding, capaci di rivoluzionare l'interazione e l'operatività a tutti i livelli Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni Telefonia tradizionale Telefonia VoIP Prima fase doppino doppino Fibra/coassiale Rete PSTN Rete PSTN VoIP Rete PSTN Telefono tradizionale Telefono tradizionale Telefono tradizionale Telefono tradizionale Anni Anni

2 Telefonia VoIP Seconda fase La rete telefonica tradizionale Telefono IP Fibra/coassiale/ADSL VoIP Dopo il 2004 Telefono IP La PSTN è una rete a commutazione di circuito ottimizzata per le comunicazioni vocali sincrone e in tempo reale con una qualità di servizio garantita Quando una sessione di comunicazione viene iniziata, si stabilisce un circuito fra la parte chiamante e quella chiamata La PSTN garantisce la QoS dedicando alla conversazione un circuito full-duplex con una larghezza di banda 64KHz Tale larghezza di banda rimane inalterata indipendentemente dal fatto che le parti siano in conversazione attiva o in silenzio Il costo di una chiamata PSTN è pertanto strettamente vincolato alla distanza e al tempo Le differenze della Internet Internet è una rete a commutazione di pacchetto storicamente usata per applicazioni dove una QoS è un parametro tollerabile ( , ftp, ) Le reti a commutazione di pacchetto non dedicano un circuito (a meno di non considerare i circuiti virtuali) tra le parti in conversazione e perciò non possono garantire la qualità del servizio, sebbene, allo stato attuale, ci siano numerose iniziative intraprese per raggiungere questo scopo Le differenze della Internet Per come sono strutturati i protocolli di comunicazione e per come è stata concepita Internet, il meccanismo primario di costo per un applicazione di telefonia IP è l ampiezza di banda usata nella comunicazione In ogni caso, tale costo è trasparente all utente finale Il servizio a tali utenti è infatti fornito solitamente dagli ISP (Internet Service Provider) che gestiscono direttamente il costo delle connessioni Per quanto riguarda l utente finale, la telefonia IP diventa dunque il mezzo per comunicare a distanze intercontinentali ai prezzi di una telefonata all interno della locale rete PSTN

3 Requisiti di QoS Il problema fondamentale della comunicazione vocale su Internet è che la gestione dei pacchetti da parte del protocollo IP destinatario comporta una ricomposizione di questi nell ordine originale Se alcuni subiscono errori di trasmissione o ritardi vari si capisce come il processo di ricomposizione possa risultare rallentato o compromesso Ci sono tre fondamentali caratteristiche che determinano la qualità di una connessione telefonica su Internet Latenza Jitter Fidelity Requisiti di QoS Latenza: Tale grandezza misura il ritardo che intercorre dal momento che certe parole sono pronunciate da un lato al momento che queste sono effettivamente sentite dall altro lato Spesso gli utenti VoIP rapportano tale latenza ai ritardi che le normali telefonate subiscono quando parte del circuito è costituita da collegamenti satellitari La latenza è qualcosa a cui gli utenti possono in genere abituarsi e compensare di conseguenza Jitter: Poiché la latenza non è un valore fisso, ma può subire delle variazioni, viene utilizzato un nuovo parametro il jitter che rappresenta la varianza del ritardo Requisiti di QoS Requisiti di QoS Per applicazioni audio/video, un altra grandezza da considerare è lo skew Si supponga di trasmettere da un terminale due flussi dati Molto probabilmente il delay fra questi due flussi sarà diverso: la differenza è lo skew Questo parametro è quello che agisce essenzialmente sulla sincronizzazione labbra/voce e può avere effetti alquanto fastidiosi Informazione Solo audio Audio + immagini fisse Audio + video Requisiti Latenza Audio < 50ms Latenza Audio < 150ms Skew < 200ms Latenza Audio < 150ms Vantaggio Audio sul Video < 20ms Vantaggio Video sul Audio < 120ms

4 Requisiti di QoS Senza tenere in conto le tecniche di QoS implementate, la QoS che ci si può aspettare da una sessione di telefonia in rete è direttamente correlata all ampiezza di banda Qualità Audio Telefonica 32 Banda (kbps) FM Radio 132 Stereo CD 1410 Qualità 128x120 pels 15 frame/s 256x240 pels 15 frame/s 256x240 pels 30 frame/s Video Banda (kbps) Note 64 H H H.261 Tecnologia audio La voce umana può emettere segnali nella banda Hz, ma nel caso della telefonia, che ha l intento di fare passare solo ciò che serve alla comprensione del discorso, si arriva alla banda Hz PCM Banda fonica filtrata a 4 KHz Campioni a 8 bit 8000 campioni al secondo = 64Kbits Tecnologia audio Le dimensioni del flusso PCM possono essere sensibilmente ridotte da un algoritmo di compressione che opera sui campioni Codifica Banda (KHz) Freq. Camp. (KHz) Risoluzion e Compress Bit rate (Kbps) G G G G o / 6.3 G Timestamp Altro punto essenziale è che per consentire una corretta riproduzione bisognerà aggiungere dei dati di temporizzazione (timestamp) agli stream audio/video Tale funzione viene effettuata dal Real Time Protocol (RTP) che estende il servizio di trasporto non affidabile La scelta del protocollo non affidabile per i dati audio/video dipende dalle seguenti ragioni: se si perdono dei dati nella trasmissione, potrebbe non essere necessario chiederne la ritrasmissione i protocolli non affidabili sono più leggeri di quelli affidabili, sia per l impiego di banda sia per l elaborazione necessaria sull host

5 Standard per il VoIP Standard Stream audio Stream video VoIP H.323 supportato supportato SIP (Session Initiated Protocol) supportato supportato H.323 MGCP (Media Gateway Control Part) supportato supportato Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni Introduzione Architettura H.323 Lo standard ITU-T H.323 descrive un sistema di comunicazione per la videoconferenza su LAN che non assicurano la qualità del servizio (LAN NQOS, non guaranteed quality of service) H.323 non richiede un particolare protocollo di trasporto, ma si accontenta di avere a disposizione un servizio di consegna affidabile (come TCP) e uno non affidabile (come UDP) I risultati che si ottengono con un terminale H.323 che opera su Internet sono in genere di bassa qualità a causa della poca banda a disposizione LAN NQOS H.323 PSTN H.324 Gateway B-ISDN H.310 N-ISDN H.320 Gatekepeer

6 Componenti H.323 I componenti H.323 si dividono in due grandi famiglie: End-point Entità Gli end-point sono chiamabili ed effettuano delle chiamate. Una chiamata consiste nell'instaurare una serie di canali affidabili e non affidabili tra due end-point, secondo quanto stabilito dallo standard (Terminale, Multipoint Control Unit (MCU), Gateway sono end-point) Le entità sono solamente indirizzabili (in pratica possiedono un indirizzo di trasporto) al fine di ottenere dei servizi o di effettuare determinate operazioni (Gatekeeper, Multipoint controller, Multipoint processor sono entità) Componenti H.323 Terminale: è l elemento fondamentale dello standard e di fatto è ciò con cui a che fare l utente (si connette alla conferenza, visualizza, cattura e trasmette i dati multimediali ) Gatekeeper (GK): è un entità che fornisce servizi come traduzione indirizzi, controllo accessi alla LAN da parte di end-point, gestione della banda disponibile. Non è obbligatorio utilizzarlo ma è un elemento chiave che fornisce servizi a valore aggiunto Gateway (GW): permettere di connettersi ad altri terminali della serie H. Componenti H.323 Multipoint controller (MC): è un entità che permette le conferenze con tre o più partecipanti. Realizza anche la capability exchange, ovvero la negoziazione dei formati di codifica dati Multipoint processor (MP): processa i flussi multimediali sotto il controllo di un MC Multipoint control unit (MCU): è un end-point costituito da un MC e da zero o più MP. E indispensabile se non è presente un altro MC. Può consentire per esempio una conferenza multipunto ibrida in cui alcuni terminali partecipano in modo centralizzato e alcuni in modo distribuito Terminale Si occupa delle seguenti funzionalità: Codifica/decodifica audio: si occupa della compressione dei dati audio in formato che sia noto a tutti i partecipanti Alcuni tipi di codifica che il terminale può essere in grado di eseguire sono G.711, G.722, G.723, G.729 Il formato sarà concordato tra i terminali durante la fase di capability exchange Codifica/decodifica video: si occupa della compressione dei dati video Formati possibili sono H.261 e H.263

7 Terminale Delay: si occupa di sincronizzare i dati multimediali, in particolare audio e video provenienti da uno stesso terminale (sincronizzazione labbra) Tali dati sono trasmessi (solitamente) in modo disaccoppiato; per questo RTP fornisce tutto il necessario per effettuare una sincronizzazione Data application: nella conferenza può essere necessario anche lo scambio di documenti e simili. Queste funzionalità sono regolate dai seguenti standard: RAS/H H Call Control H.245 Control Data application Canali di Trasmissione H.323 Canale RAS Canale di Segnalazione H Canale di Controllo H.245 Canali Logici H.245 Funzioni Canale di Servizio da un End-Point a un GK, permette quindi di accederne i servizi Aperto da un End-point ad un GK o ad un altro End-Point, porta le informazioni di controllo della chiamata, consentendo di aprire i canali H.245 Serve per gestire la conferenza vera e propria Sono i canali entro i quali vengono trasportati Audio Video e Dati RAS / H RAS/H.225.0: consente di aprire un canale RAS (Registrazione, Ammissione, Stato) verso un GK e consente di avere a disposizione i servizi del GK E il primo canale che viene aperto nel caso in cui si vogliano utilizzare i servizi di un GK Si basa sul servizio non affidabile (UDP) H call control: è la parte che controlla la chiamata ad un altro end-point Permette di aprire un canale per la segnalazione H (verso l end-point stesso o verso un GK se presente) Questo canale viene aperto prima dei canali H.245 (e, di fatto, permette di aprire questi canali successivamente) H.245 control H.245 control: è la parte che si occupa della gestione della conferenza (per es. capability exchange, apertura e chiusura di canali logici ), utilizzando un canale di controllo H.245 (bearer channel) E necessario stabilire un canale di controllo H.245 per ogni chiamata cui l end-point partecipa Tale canale si deve basare su un protocollo di trasporto affidabile (TCP) Per portare informazioni tra end-point sono utilizzati dei canali logici H.245 che vengono aperti secondo una procedura definita da H.245 Lo stesso canale di controllo H.245 è un canale logico particolare ed è aperto con una procedura a se stante Questi canali si basano su un trasporto non affidabile per i dati multimediali (UDP)

8 Gateway Il gateway deve fornire un appropriata traduzione tra formati di trasmissione (per es. fra H e H.221) e tra procedure di controllo (per es. tra H.245 e H.242) Il gateway può presentarsi sulla LAN o come un terminale o come un MCU La scelta è lasciata al costruttore Gatekeeper Il gatekeeper agisce come un punto centrale per tutte le chiamate fatte entro la propria zona Le due funzioni più importanti eseguite sono la traduzione degli alias, il controllo di banda e di accesso alla conferenza I servizi che il GK può fornire sono: Traduzione Indirizzi, Controllo ammissioni, Controllo di banda, Gestione zona, Controllo segnalazione di chiamata, Autorizzazione di chiamata, Gestione banda, Gestione chiamata Basic H.323 Call Getekepeer A Getekepeer B Rete IP Gateway A Gateway B Basic H.323 Call La procedura di chiamata prevede i seguenti cinque passi: A. Call set-up B. Comunicazione iniziale e capability-exchange C. Instaurazione della comunicazione Audio/Video D. Servizi di chiamata E. Terminazione Client A Client B

9 Basic H.323 Call Passo A Il primo passo è instaurare il canale di segnalazione H Ciò può essere fatto stabilendo prima una connessione RAS con un GK Ogni entità deve avere almeno un indirizzo di LAN (per es. IP) che la identifichi Per ogni indirizzo di LAN l entità può avere molti TSAP (Transfert Service Access Point), per es. numero di porta Un end-point può avere uno o più alias per il proprio indirizzo, che devono essere unici all interno della stessa zona. Ciò è possibile solo se l end-point è registrato presso un GK Basic H.323 Call Il GK presso cui registrarsi viene scoperto dal terminale manualmente (non definito dallo standard) o automaticamente (attraverso l indirizzo multicast) La registrazione è quel processo con cui un end-point informa il GK del proprio indirizzo di trasporto del canale per la segnalazione H Un end-point può quindi determinare l indirizzo di trasporto di un altro end-point attraverso un alias, semplicemente spedendo un messaggio di location request (LRQ) ad un GK specifico, oppure attraverso l indirizzo multicast del GK Basic H.323 Call Autenticazione RAS: 1. Invio di richiesta al Gatekeeper di registrazione RRQ (Registration Request) L utente viene registrato del DB del Gatekeeper Risposta il client viene registrato dal Gatekeeper RCF (Registration Confirm) La risposta può essere negativa e in quel caso sarà inviato un messaggio RRJ (Registration Reject) 2,3. Quando il client A vuole effettuare una chiamata verso il client B il Gateway invia una ARQ (Admission Request) al Gatekeeper (A) di competenza 4. Il Gatekeeper A a sua volta invia la richiesta LRQ (Local Request) al Gatekeeper B (GK che compete al client B) Basic H.323 Call Autenticazione RAS: 5. Il Gatekeeper B verifica nel proprio DB se il client B è di sua competenza e in caso affermativo risponde con un LCF (Local Confirm) 6. Il Gatekeeper A invia il messaggio di autorizzazione ACF (Autorization Confirm) al Gateway A che contiene tutte le informazioni riguardanti il Gateway B L ACF contiene anche le informazioni di banda assegnate al canale che si instaurerà tra il Gateway A e il Gateway B Se il client A non viene autorizzato (es. non possiede credito sufficiente) allora sarà inviato il messaggio ARJ (Autorization Reject)

10 Basic H.323 Call Autenticazione RAS: 7. I Gatekeeper dopo aver fatto da intermediari per la segnalazione RAS apriranno il canale di segnalazione H.225 (fase di setup) che va dal Gateway A al Gateway B (Canale di segnalazione diretto) 8,9. Affinchè possa essere instradata la telefonata verso il client B (call proceeding), il Gateway B controlla che B sia abilitato a poter ricevere telefonate (es. occupato in altra chiamata), inviando ARQ al Gatekeeper B (CTRL nel DB) e in caso affermativo risponde con l ACF 10. Apertura canale fra Gateway B e client B. Attivazione dei messaggi di Alerting e Connect Basic H.323 Call Passo B 11. Apertura del canale H.245 Passo C 12. Apertura e inoltro messaggi A/V (RTP) Basic H.323 Call Passo D Servizi di Chiamata: Cambio larghezza di banda: durante la conferenza un end-point o un GK può chiedere di cambiare il bitrate che era stato inizialmente approvato dal GK Espansione conferenza ad Hoc: procedura per passare da due a tre partecipanti Passo E: Chiusura canali a ritroso: è la terminazione della chiamata che consiste nella chiusura dei canali secondo l ordine inverso in cui sono stati aperti RTP Per la trasmissione dei dati multimediali, H.323 si affida ad un protocollo di trasporto sviluppato da IETF e denominato Real Time Protocol (RTP) L RTP costituisce un valido supporto per il trasferimento dati in tempo reale, come per esempio gli stream audio o video di una videoconferenza I servizi forniti da RTP sono essenzialmente i seguenti: l'identificazione del payload type sequence numbering Timestamping monitoring

11 RTP Le applicazioni tipicamente pongono RTP sopra UDP Tuttavia RTP può essere usato con altri protocolli di rete e trasporto Il trasferimento di dati verso molteplici destinazioni avviene con una distribuzione multicast E' da notare che questo protocollo non prevede nessun meccanismo che assicuri una corretta trasmissione o che garantisca la qualità del servizio, in quanto questo e' compito degli strati più bassi Inoltre RTP non si interessa direttamente di un errato ordine di consegna dei pacchetti. I numeri di sequenza inclusi da RTP permettono, volendo, al ricevente di ricostruire il corretto ordine Terminale L'IETF ha suddiviso lo standard in due parti strettamente legate: il Real Time Transport Protocol (RTP): per trasportare dati con proprietà temporali l'rtp Control Protocol (RTCP): per "monitorare" la qualità del servizio e fornire informazioni sui partecipanti di una sessione in atto Introduzione VoIP SIP SIP è un protocollo IETF standardizzato dalla RFC 3261 E un protocollo di segnalazione che consente di stabilire sessioni in Internet Le sessioni includono chiamate audio/video via rete IP, conferenze, messagistica SIP permette di negoziare il tipo di sessione e scambiare informazioni legate ai media SIP non si occupa direttamente dello scambio di dati multimediali né di riservare eventuali risorse per i corrispondenti flussi dati Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni

12 Funzioni di sessione Per poter stabilire una sessione, SIP effettua cinque funzioni fondamentali: User location: registra la posizione dell utente per la comunicazione User availability: determina se l utente è disponibile oppure no User capabilities: determina i parametri multimediali che possono essere utilizzati per la comunicazione verso l utente Session setup: stabilisce i parametri di sessione per il chiamante e il chiamato Session management: include l inizio e la fine della sessione, la modifica dei parametri di sessione o l invocazione di servizi aggiuntivi Modello client/server L implementazione delle funzionalità di sessione è basata su un modello di architettura di tipo client e server ispirato ad altri due protocolli fondamentali per Internet: SMTP e HTTP La segnalazione si compone di una serie di messaggi scambiati tra un entità client (User Agent Client) e un entità server (User Agent Server) In alternativa può essere utilizzato un proxy Componenti architetturali SIP user agent: entità capace di inizializzare e terminare chiamate (IP phone PC) SIP proxy: inoltra i messaggi di segnalazione da sorgente verso la destinazione SIP forking proxy: inoltra i messaggi di segnalazione verso i diversi punti di contatto della medesima destinazione SIP redirect server: fornisce informazioni di localizzazione SIP registrar: mantiene una tabella di mapping tra gli identificativi SIP degli utenti e i loro indirizzi Indirizzi SIP Per poter identificare gli utenti vengono utilizzati degli identificativi chiamati SIP Uniform Resource Indicator (SIPURI) Formato dell indirizzo: User, identificativo alfanumerico dell utente Host, indirizzo IP o domain name dell utente Port, numero della porta di ascolto Campi aggiuntivi:protocollo di trasporto (TLS, TCP, UDP), Tipo (es:phone) Esempi:

13 Messaggi SIP Due tipi di messaggi: richieste (o metodi) e risposte Una richiesta SIP è formata da: Start line Header fields Message body Può contenere la descrizione delle sessioni che si vogliono instaurare Tale descrizione è conforme al protocollo SDP (Session Description Protocol) Una risposta SIP è formata da: Start line (con un codice di risposta) Header fields Message body Metodi SIP INVITE, permette di avviare il setup di una sessione Il chiamante inserisce informazioni sul tipo di informazione che è in grado di processare per il flusso in ricezione ACK, permette al chiamante di confermare la ricezione della risposta alla parte remota BYE, è usato per chiudere una sessione CANCEL, permette di annullare una richiesta pendente di connessione REGISTER, permette la registrazione presso un server del proprio URL SIP OPTION, permette al client di chiedere al server informazioni su eventuali estensioni da esso supportate UPDATE, permette agli utenti di una chiamata di variare i parametri di una sessione senza modificarne lo stato Risposte SIP Call set-up tramite proxy I messaggi di risposta sono individuati attraverso un codice numerico e sono raggruppati in 6 famiglie: 1xx: Informational la richiesta è stata ricevuta e la si sta processando 2xx: Success la richiesta è stata ricevuta, capita ed accettata 3xx: Redirection permette al server di fornire al client un nuovo indirizzo del chiamato 4xx: Client Error la richiesta è non valida 5xx: Server Error la richiesta è apparentemente valida, ma il server non è in grado di risolverla 6xx: Global Failure la richiesta non può essere risolta da nessun server User Agent A Proxy User Agent B

14 Call set-up tramite oubound e destination proxy Registration User Agent A Outbound Proxy Proxy User Agent B Registrar proxy (P2) = Rete IP Setup ON call Outbound proxy (P1) Registrar proxy (P2) INVITE = 180 Ringing 200 OK Outbound proxy (P1) Registrar proxy (P2) = Rete IP Rete IP

15 Terminazione PSTN Gateway Outbound proxy (P1) Rete IP Registrar proxy (P2) = SIP Proxy Rete IP SIP Gateway Rete PSTN Riferimenti

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