VoIP. Definizioni. Limiti del servizio best-effort. Rimozione del jitter audio. Recupero dei pacchetti perduti. I protocolli RTP, RTCP,

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1 VoIP Definizioni. Limiti del servizio best-effort. Rimozione del jitter audio. Recupero dei pacchetti perduti. I protocolli RTP, RTCP, SIP, H.323, ENUM Parte delle slide sono riadattate da : Reti di calcolatori e Internet: Un approccio top-down, 4a ed. J. Kurose, K. Ross, Pearson, 2008 Definizioni Voice over IP (VoiP): trasporto delle comunicazioni vocali in reti che usano il protocollo IP piuttosto che la Public Switched Telephone Network (PSTN) Telefonia Internet (anche detta IP Telephony): applicazione del VoIP per l erogazione di servizi telefonici su Internet Vantaggi: riduzione dei costi nuovi servizi Voic (segreteria telefonica integrata ) Click2dial (chiamate partono via Web) 1

2 Caratteristiche fondamentali Sensibile al ritardo: Ritardo end-to-end d audio: < 150 msec buono, < 400 msec accettabile Comprende i ritardi a livello di applicazione (impacchettamento) e il ritardo di rete Ritardi superiori risultano frustranti, o impediscono addirittura la conversazione Ritardo jitter termine con il quale si indica la variabilità dei ritardi subita dai pacchetti dello stesso flusso Ma tollerante t alla perdita perdite occasionali causano solo marginali interferenze Inizializzazione della sessione Come fa il chiamante ad allertare indirizzo IP, numero di porta, algoritmi di codifica? Telefonia Internet Esempio: In una normale conversazione si alternano periodi di parlato e di silenzio : 64 kbps durante il periodo di parlato L applicazione genera pacchetti solo nella fase di parlato Genera un flusso compresso di bps Ogni 20 ms li riunisce in blocchi da 160 byte Ciascun blocco ha un intestazione a livello di applicazione Il blocco e l intestazione sono incapsulati in un segmento UDP Quindi, durante la fase di emissione, ogni 20 ms viene inviato un segmento UDP 2

3 Perdita dei pacchetti e ritardo Perdita a causa della rete: è possibile quando un buffer è pieno e non può ricevere il datagramma IP che, in questo caso, viene scartato e non arriverà mai a destinazione Perdita per ritardo: quando i datagrammi IP arrivano con molto ritardo: Diversi tipi di ritardo: di trasmissione, di elaborazione, di accodamento nei router, di propagazione e di elaborazione nei terminali lungo un collegamento Ritardo massimo tollerato: 400 ms Ritardo tollerato: a seconda di come la voce è codificata e trasmessa, e di come la perdita è mascherata in ricezione, tassi di ritardo compresi fra 1% e 10% possono essere tollerati Jitter di pacchetto trasmissione video con tasso costante Ricezione riproduzione del video a tasso costante buffered data Ritardo di rete variabile (jitter) Ritardo di tempo riproduzione Con jitter si indica la variabilità dei ritardi subita dai pacchetti dello stesso flusso differenza maggiore o inferiore a 20 ms tra due pacchetti 3

4 Ritardo di riproduzione fisso Il ricevente tenta di riprodurre ciascun blocco esattamente q millisecondi dopo che è stato generato. Se un blocco è contrassegnato da un tempo di generazione t, il ricevente lo riproduce dopo un intervallo t + q. Se il blocco non è arrivato in tempo utile, lo scarta e lo considera perso. Qual è la migliore scelta per q? q elevato: diminuisce la perdita dei pacchetti q basso: la qualità è migliore (ma se q è addirittura inferiore a 400 ms molti pacchetti mancherebbero il tempo programmato per la riproduzione a causa del jitter) Ritardo di riproduzione fisso Il trasmittente genera pacchetti a intervalli regolari, supponiamo ogni 20 ms Il primo pacchetto è ricevuto al tempo r Il primo istante di riproduzione inizia al tempo p packets Il secondo istante di riproduzione inizia al tempo p packets generated packets received loss playout schedule p' - r playout schedule p - r time Prof. Filippo r Lanubile p p' 4

5 Ritardo di riproduzione adattativo Obiettivo: ritardo di riproduzione minimo con il vincolo che la perdita sia al di sotto dei pochi punti percentuali. Approccio: regolare il ritardo di riproduzione: Stimare il ritardo della rete e regolare il ritardo di riproduzione con l inizio di ciascun periodo di attività vocale Le stime sono calcolate per ogni pacchetto ricevuto, sebbene possano essere utilizzate solo per determinare il punto di riproduzione del primo pacchetto di un periodo di attività Recupero dei pacchetti perduti Correzione dell errore in avanti Il ricevente deve attendere (FEC): primo meccanismo di aver ricevuto l intero Invia, dopo ogni n blocchi, un gruppo di pacchetti prima di blocco ridondante ottenuto da poter iniziarne la un operazione di OR esclusivo riproduzione degli n blocchi originali Conseguenze: Se qualche pacchetto del gruppo n + 1 va perso, il all aumentare di n, minore ricevente lo può ricostruire spreco di banda integralmente Se in un gruppo si perdono due o più pacchetti, il ricevente non può ricostruirli all aumentare aumentare di n, maggiore ritardo di riproduzione all aumentare di n, aumentano le probabilità che 2 o più blocchi vengano persi 5

6 Recupero dei pacchetti perduti FEC: secondo meccanismo informazioni ioni ridondanti di bassa qualità consiste nell inviare uno stream audio a bassa risoluzione come informazione ridondante per esempio, stream nominale con codifica PCM a 64 kbps e una codifica GSM a 13 Kbps Ogni volta che si perdono pacchetti non consecutivi, il ricevente può mascherare la perdita riproducendo il blocco codificato a bassa velocità Recupero dei pacchetti perduti Interallacciamento Può migliorare la qualità con cui si percepisce uno stream audio Presenta una bassa ridondanza Non richiede l aumento di larghezza di banda dello stream Incrementa la latenza, limitando così il suo utilizzo in applicazioni interattive come la telefonia Buone prestazioni nello streaming audio memorizzato 6

7 Ricapitolando Uso di UDP per evitare il controllo di congestione di TCP (ritardo) per il traffico timesensitive Ritardo di riproduzione adattativo al lato client: per rimediare ai vari ritardi Fornitura di larghezza di banda Recupero degli errori (su UDP) FEC, interallacciamento, mascheramento dell errore Ritrasmissione (se consentita) Protocolli per il VoIP Trasporto audio/video RTP Real Time Protocol IETF RFC 3550, 2003 RTCP Real Time Control Protocol IETF RFC 3550, 2003 Number mapping ENUM E.164 Number Mapping IETF RFC 3761, 2004 Segnalazione chiamata H.323 ITU-T Study Group 16, version 5, prima versione nel 1995, aggiornato nel 2003 SIP Session Initiation Protocol IETF RFC 3261,

8 RTP (Real Time Protocol) Specifica la struttura di un pacchetto standardizzata per i campi dati audio/video Librerie RTP forniscono un interfaccia a livello di trasporto che estende UDP: numeri di porta, indirizzi IP identificazione del tipo di carico numero di sequenza marcatura temporale 8

9 RTP e QoS QoS (Quality of Service) livello di prestazioni adeguato per un corretto funzionamento dell applicazione RTP non offre alcun meccanismo che assicuri la consegna in tempo dei dati o fornisca altre garanzie in termini di QoS L incapsulamento RTP è visibile solo al sistema terminale non dai router intermedi RTCP (RTP control protocol) Funziona insieme i a RTP Ogni partecipante a una sessione RTP trasmette periodicamente pacchetti di controllo RTCP a tutti gli altri partecipanti Ogni pacchetto RTCP contiene i rapporti dei trasmittenti e/o riceventi Che comunicano statistiche utili all applicazione numero dei pacchetti spediti, di quelli persi e il jitter Queste informazioni possono essere utilizzate per controllare le performance Per limitare il traffico, ogni partecipante riduce il suo traffico RTCP quando il numero dei partecipanti aumenta 9

10 Pacchetti RTCP Il ricevente genera un rapporto di ricezione: La frazione di pacchetti persi, l ultimo numero di sequenza ricevuto e il jitter negli arrivi Il trasmittente invia pacchetti di rapporto: L identificatore SSRC del flusso RTP, la marcatura temporale, il numero dei pacchetti inviati e il numero dei byte inviati nel flusso Il trasmittente crea anche pacchetti di descrizione della sorgente: Indirizzo , nome del trasmittente e informazioni sull applicazione che ha generato il flusso e il suo identificatore SSRC Questi pacchetti forniscono una correlazione fra SSRC e il nome dell utente/host I pacchetti RTP e RTCP sono distinguibili dai loro numeri di porta quello di RTCP è dato dal numero di porta RTP più uno Sincronizzazione dei flussi RTCP può essere utilizzato t per sincronizzare i i flussi delle sessioni RTP Consideriamo il caso in cui ciascun trasmittente genera due flussi RTP indipendenti Le marcature temporali in questi pacchetti sono legate agli orologi di campionamento audio e video e non all ora effettiva, cioè al tempo reale I rapporti RTCP del trasmittente t contengono: La marcatura temporale del più recente pacchetto RTP. L ora effettiva di creazione I riceventi possono utilizzare questa corrispondenza per sincronizzare la riproduzione di audio e video 10

11 SIP (Session Initiation Protocol) Utilizzato t per iniziare, i i modificare o terminare sessioni fra uno o più partecipanti permette ai partner di scoprire i rispettivi indirizzi e numeri di porta permette ai partner di concordare le modalità con cui scambiarsi i dati sessioni multimediali, ma anche chat Per gli liindirizzi dii isi usano gli liuri(ietf) (IETF): sip:filippo.lanubile@sip.uniba.it sip => trasporto UDP o TCP sips:3261@sip.uniba.it:5062 sips: => trasporto TLS Servizi offerti da SIP Impostazione della chiamata Consentire al chiamante di connettersi al ricevente Consentire ai partecipanti di accordarsi sulle codifiche dei media Permettere di terminare le chiamate Determinazione dell attuale indirizzo IP del ricevente mappa l identificatore mnemonico all attuale indirizzo IP Gestione della chiamata, fornisce procedure che permettono di: aggiungere nuovi flussi di media cambiare la codifica durante la chiamata invitare nuovi partecipanti trasferire o mettere in attesa 11

12 Chiamata verso un indirizzo IP noto Alice invia i un messaggio INVITE a Bob che comprende le indicazioni del suo numero di porta, del suo indirizzo IP. Vuole ricevere l audio codificato nel formato AVP 0 (PCM codificato con legge ). Bob invia un messaggio di risposta che comprende, oltre alla stringa 200 OK, anche le indicazioni del suo indirizzo IP e le preferenze di codifica (GSM). i messaggi SIP possono essere inviati sia con TCP sia con UDP. Qui sono inviati con RTP/UDP Di default, il numero di porta di SIP è 5060 Impostare una chiamata Negoziazione del codec: Supponiamo che Bob non abbia un codec PCM con legge m. Avrebbe risposto con 606 Not Acceptable, elencando nel messaggio tutti i codec che può utilizzare Alice sceglie uno dei codec e invia un altro messaggio INVITE Rifiutare la chiamata Bob può semplicemente non accettare la chiamata inviando un codice di risposta di rifiuto come occupato, fuori servizio, servizio a pagamento o vietato I media possono essere inviati su RTP o su altro protocollo 12

13 Esempio di un messaggio SIP INVITE SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP From: To: Call-ID: Content-Type: application/sdp Content-Length: 885 c=in IP m=audio RTP/AVP 0 Qui non si conosce l indirizzo IP di Bob: sarà necessaria l intermediazione dei servizi di SIP Alice invia e riceve messaggi SIP usando il numero di porta di default 5060 Alice specifica l intestazione e riceve il messaggio SIP su UDP Assomiglia ai messaggi HTTP sdp = session description protocol Call-ID è unico per ogni chiamata. Traduzione dei nomi e localizzazione degli utenti Il chiamante ha solo il nome o l indirizzo del destinatario Ha bisogno di conoscere l indirizzo i IP dell attuale l host del destinatario: L utente si sposta Protocollo DHCP L utente ha differenti dispositivi IP (PC, PDA, ) I risultati si basano su: momento della giornata (al lavoro, a casa) chiamante (non si desidera che il capo ci rintracci a casa) status del ricevente (le chiamate vengono dirottate su una segreteria telefonica se il destinatario sta già parlando con qualcuno) Servizi forniti dai server SIP Server di registrazione SIP Server proxy SIP 13

14 Server di registrazione SIP Un utente t (Bob) è associato a un server di registrazione i SIP al quale l applicazione, quando viene lanciata, invia un messaggio di registrazione. Il server di registrazione di Bob memorizza il suo attuale indirizzo IP REGISTER sip:domain.com SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP From: sip:bob@domain.com To: sip:bob@domain.com Expires: 3600 Proxy SIP Alice invia un messaggio di invito al suo server proxy Contiene l indirizzo sip:bob@domain.com Il proxy è responsabile dell instradamento dei messaggi SIP il messaggio può dover passare attraverso più proxy Il chiamato risponde attraverso la stessa serie di proxy Il proxy recapita ad Alice il messaggio di risposta contiene l indirizzo IP di Bob Meccanismo analogo a quello di un server DNS locale 14

15 Esempio Procedura seguita da per avviare una sessione vocale IP con (1) Jim invia i un messaggio INVITE al proxy SIP di umass (2) Questo fa una ricerca e quindi rilascia il Messaggio al server di registrazione (3) dato che Keith non è più presente nel server di upenn, quest ultimo invia una risposta di ri-direzione verso keith@eurecom.fr (4) Il proxy umass trasmette un INVITE al server di registrazione SIP di eurecom (5) che conosce l indirizzo e rilancia l INVITE al terminale , su cui gira il client SIP di Keith (6-8) viene inviata una risposta SIP verso il client SIP (9) I media vengono scambiati direttamente tra i due client. SIP vs. H.323 SIP è di origine i IETF H.323 è di origine i ITU Internet Engineering Task Force International Telecommunication Union SIP adotta il principio KISS: keep it simple stupid adotta molti concetti del Web, di DNS e dell SIP è un componente H.323 è una famiglia monolitico Lavora con RTP, ma non lo richiede Può essere combinato con altri protocolli e servizi completa di protocolli integrati verticalmente per le conferenze multimediali: segnalazione, registrazione, controllo di ammissione, trasporto e codec 15

16 ENUM (E.164 Number Mapping) Problema: come evitare che utenti tidit telefonia IP siano costretti ad attraversare la PSTN per poter parlare quando l unica informazione nota è il numero di telefono Il sistema telefonico tradizionale usa la numerazione E.164 (gestita da ITU) Es Gli URI (gestiti da IETF) hanno formati del tipo mailto:lanubilei@di.uniba.it sip:3261@sip.uniba.it Il protocollo ENUM stabilisce come usare il DNS per costruire degli URI a partire da numeri telefonici E.164 RFC 3761 Risoluzione ENUM Gli ENUM resolver sono presenti nei server VoIP più evoluti e in alcuni apparati VoIP terminali Esempio Partire dal numero Chiedere al DNS i record NAPTR relativi a e164.arpa IN NAPTR u E2U+sip!^.*!sip:3261@sip.uniba.it!. IN NAPTR u E2U+mailto!^.*!mailto:lanubile@di.uniba.it!. IN NAPTR u E2U+http!^.*! IN NAPTR u E2U+tel!^.*!tel: !. Restituire, se esiste, l URI per il servizio desiderato (sip, mail, web, tel, ) 16

17 Scenario VoIP to VoIP L albero nrenum.net L'ente di registrazione europeo RIPE gestisce l ENUM Golden Tree e164.arpa Non ancora pienamente funzionale Definizione di alberi privati grazie a nrenum.net L intendimento è che nrenum.net sia consultato solo se fallisce la consultazione di e164.arpa Il GARR controlla l'amministrazione del prefisso +39 sottoalbero 9.3.nrenum.net 17