Voice over IP. Voice over IP

Voice over IP Voice over IP VoIP 1

Outline Limiti Elementi costitutivi Codec SIP H.323 MGCP VoIP 2

Limiti Alla fine i vincoli sono sul MOS (qualità percepita) I flussi multimediali sono non elastici Idealmente Latenza Jitter Perdita BER sorgente destinazione VoIP 3

Limiti (2) Limite rigido sulla latenza Garanzie rigide di real time Non tollerano perdite o eccessivo jitter sul ritardo Il jitter viene eliminato con l introduzione di un buffer Più grande il jitter che si vuole eliminare più profondo il buffer Più profondo il buffer più grande la latenza Esiste un limite preciso sul valore di jitter ammissibile VoIP 4

Limiti (3) Impossibile usare TCP si deve usare UDP Packet loss e Bit error rate Producono lo stesso effetto Pacchettizzazione Si introduce un overhead Non è tollerabile un overhead maggiore di un dato valore Si perderebbe una buona parte dei vantaggi del VoIP VoIP 5

Limiti (4) IP introduce un overhead di 20 ottetti UDP introduce un overhead di 8 ottetti Non è possibile trasferire uno stream dall applicazione ad UDP Bisogna introdurre un ulteriore layer: RTP RTP introduce un overhaed di 12 ottetti Overhead totale: 20 + 8 + 12 = 40 ottetti Non è pensabile trasmettere pacchetti PCM isolati perché si avrebbe un overhead del 4000 % Riunione di molti campioni in un unico pacchetto Presenza però di vincoli riguardanti la rete VoIP 6

Limiti (5) Non è bene generare pacchetti più lunghi della MTU È allora opportuno fare pacchetti di D MTU In questo modo: 1. Si ottimizza il rapporto payload/header 2. Si minimizza la probabilità di perdita che aumenta con la frammentazione MTU ~ 1500 bytes per link IP wireline (val. max pacchetto Ethernet) ~ 100 bytes in ambienti wireless VoIP 7

Esempio RTP Trasmissione video con qualità DVD 30 frame/s, risoluzione 720x480, 3 byte per pixel Rate grezzo 31.104.000 byte/s Rate dopo compressione (100 x) 311.040 byte/s MTU = 1500 byte 311.040/1460 = 213 pacchetti/s - > 319.500 byte/s (throughput richiesto con overhead incluso) VoIP 8

UDP segment Header IP Protocol field = 17 Source port UDP length Destination port UDP checksum Data VoIP 9

UDP e RTP Per trasmettere dati multimediali su Ip servono degli elementi aggiuntivi Forniti dal protocollo RTP (RFC 3550) VoIP 10

Real Time Protocol RTP Utilizza UDP Definisce i formati delle informazioni aggiuntive richieste dall applicazione Utilizza un insieme di messaggi di un protocollo aggiuntivo (RTCP) per lo scambio di report periodici Una sessione RTP per un flusso di media VoIP 11

RTP Audio PCM RTP UDP IP Ethernet Video MPEG2 RTP UDP IP Frame Relay Applicazione Trasporto Rete Data Link Dal punto di vista dello sviluppatore RTP appartiene di più allo strato di applicazione che a quello di trasporto VoIP 12

RTP (2) RTP header V=2 P X CC M PT Seq. Number Timestamp Synchronization source (SSRC) identifier Contributing source (CSRC) identifier P - Padding X - extension PT Payload Type CC CSRC Count M Marker (profile dependent) VoIP 13

RTP (3) P Flag di presenza di padding CC Numero dei CSRC eccedenti quello iniziale M Marker specificato nel profilo Timestamp Riflette l istante di campionamento del primo ottetto del pacchetto RTP VoIP 14

RTP (4) RTP apre due porte per la comunicazione Una per lo stream di media (porta con numero pari) Una per controllo (RTCP) I numeri delle porte non sono definiti rigidamente ma dipendono dalle applicazioni VoIP 15

RTCP RTCP (Real-Time Control Protocol) Aggiunge informazione per: Packet Loss Jitter Delay Signal Level Call Quality Metrics Echo Return Loss etc. VoIP 16

RTCP (2) RTCP è basato sulla trasmissione periodica di pacchetti di controllo a tutti i partecipanti alla sessione usando lo stesso meccanismo di distribuzione dei pacchetti dati Il protocollo sottostante deve provvedere il multiplexing dei pacchetti dati e controllo per esempio usando porte diverse con UDP È raccomandato che la frazione della banda di sessione allocata ad RTCP sia il 5% VoIP 17

RTCP (3) SR Sender Report (per la trasmissione e ricezione di statistiche dai partecipanti che sono sender attivi) RR Receiver Report (per la ricezione di statistiche dai partecipanti che non sono sender attivi) SDES - Source DEScription items (inclusi CNAME e RTP source identifier) BYE Indica la fine della partecipazione APP Funzioni specifiche dell applicazione VoIP 18

RTCP (4) Feedback in RTCP Reports di Sender e Receiver (SR e RR) I Timestamp consentono il calcolo del Round-Trip Time RTT = T4-T3+T2-T1 Conta dei pacchetti Jitter (ottenuto dalla variazione del delay) Frazione di pacchetti perduti, valore cumulativo dei pacchetti perduti Numero di pacchetti che ci si attende di avere ricevuti Stima della banda disponibile VoIP 19

RTCP (5) VoIP 20

RTCP (6) VoIP 21

CODEC Il segnale vocale è analogico. Per trasmetterlo su una rete a pacchetto bisgna prima codificarlo con un codec Esistono molti tipi di codec con differenti qualità del suono, banda richiesta, requisiti computazionali etc GIPS family - bit rate 13,3 Kbps ed oltre Tecnologia usata da Skype GSM - RPE-LTP EFR HR 13 Kbps 13 Kbps 6,5 Kbps VoIP 22

Alcuni codec Standard body ITU-T ITU-T ITU-T ITU-T ITU-T ITU-T ETSI Recc. G.711 G.726 G.728 G.729 G.729A G.731.1 GSM (FR) Tipo PCM ADPCM LD-CELP CD-ACELP CS-ACELP MPC-MLQ e ACELP RPE-LTP Anno 1972 1990 1992-94 1995 1996 1995 1987 Bit rate [Kbps] 64 16-40 16 8 8 6,3 e 5,3 13 Quality Toll Toll Toll Toll Toll Toll < Toll MOS 4,4 2 4,3 4,1 4,2 4,2 3,5 4 3,9 Complexity [Mips] RAM [Kbyte] Frame size [ms] Look-ahead [ms] Algorithmic delay [ms] << 1 0,001 0,125 0 0,25 1 < 0,05 0,125 0 0,25 30 2 0,625 0 1,25 20 2,5 10 5 25 11 2 10 5 25 18 2,2 30 7,5 67,5 4,5 1 20 0 40 VoIP 23

Elementi costitutivi Call Control e Signaling H.323 H.225 Signaling e Gateway Control Media Audio/ Video H.245 Q.931 RAS SIP MGCP RTP RTCP RTSP TCP SCTP UDP IP H.323 Version 1 e 2 supporta H.245 over TCP, Q.931 over TCP e RAS over UDP H.323 Version 3 e 4 supporta H.245 over UDP/TCP e Q.931 over UDP/TCP e RAS over UDP SIP supporta TCP e UDP VoIP 24

H.323 Describes terminals and other entities that provide multimedia communications services over Packet Based Networks (PBN) which may not provide a guaranteed Quality of Service. H.323 entities may provide real-time audio, video and/or data communications ITU-T Recommendation H.323 Version 4 VoIP 25

H.323 Framework H.323 definisce: Call establishment and teardown Audio visual or multimedia conferencing VoIP 26

Elementi di H.323 Gatekeeper Multipoint Control Unit Terminal Packet Based Networks Gateway Circuit Switched Networks VoIP 27

Terminali H.323 I terminali H.323 sono dei client endpoint che devono supportare: Call control signaling H.225 Control channel signaling H.245 Protocolli RTP/RTCP per pacchetti di segnale Codec audio Il supporto dei codec video è facoltativo VoIP 28

Gateway H.323 Un gateway fornisce un servizio di traduzione: Ad esempio, un gateway può fornire traduzione tra entità poste in una rete a commutazione di pacchetto (p.e. rete IP) e reti a commutazione di circuito (p.e. rete PSTN) I gateway possono anche fornire cambiamento del formato di trasmissione, cambiamento delle procedure di comunicazione, traduzione tra endpoints H.323 e non-h.323 endpoints o cambaiamento di codec VoIP 29

Gatekeeper H.323 I gatekeeper H.323 forniscono le funzioni: Address translation Admission control Bandwidth control Zone management Call authorization (facoltativo) Call control signalling (facoltativo) Bandwidth management (facoltativo) Call management (facoltativo) I gatekeeper sono facoltativi ma, se sono presenti in un sistema H.323, tutti gli endpoint H.323 prima di effettuare una chiamata si devono registrare con esso e ricevere il permesso VoIP 30

Multipoint Control Unit H.323 Una Multipoint Control Unit (MCU) fornisce supporto per conferenze fra tre o più endpoint Una MCU è formata da: Multipoint Controller (MC) fornisce funzioni di controllo Un Multipoint Processor (MP) riceve ed elabora audio, video e/o data stream VoIP 31

H.323 è una specifica ampia Media H.261 and H.263 Video codecs H.323 G.711, G.723, G.729 Audio codecs RTP/RTCP Media Media Data/Fax Call Control and Signaling Data/Fax T.120 Data conferencing T.38 Fax Audio Codec G.711 G.723 G.729 Video Codec H.261 H.263 RTCP T.120 T.38 H.225 Q.931 H.225 RAS H.245 Call Control e Signalling H.245 - Capabilities advertisement, media channel establishment, e conference control H.225 Q.931 - call signalling e call setup RAS - registration e altri controlli di ammisisone con un gatekeeper RTP UDP TCP IP TCP UDP TCP VoIP 32

Altre raccomandazioni ITU-T Protocollo Descrizione H.235 Definisce la sicurezza e la encryption per i terminali basati su H.323 e H.245 H.450.N Specifica il framework per i servizi supplementari. La Recc. H.450.N specifica servizi supplementari come call transfer, call diversion, call hold, call park, call waiting, message waiting indication, name identification, call completion, call offer, e call intrusion H.246 Specifica l internetworking tra i terminali della serie H e i terminali a commutazione di circuito VoIP 33

Componenti e segnalazione H.323 H.225/RAS messages over RAS channel H.225/RAS messages over RAS channel H.225/Q.931 (optional) H.225/Q.931 (optional) H.245 messages (optional) Gatekeeper H.245 messages (optional) H.225/Q.931 messages over call signaling channel PSTN Terminal H.245 messages over call control channel Gateway H.245 Protocollo per gli annunci di capacità, instaurazione di media channel e controllo di conferenza H.225 - Call Control Q.931 Protocollo per il call control e il call setup RAS Protocollo per registrazione, ammisione e stato usato per comunicazioni tra endpoint H.323 e gatekeeper VoIP 34

Instaurazione di una comunicazione Una comunicazione con H.323 si svolge in 5 fasi: 1. Call setup 2. Comunicazione iniziale e scambio della capacità 3. Instaurazione della comunicazione audio/video 4. Call dei servizi 5. Terminazione della chiamata VoIP 35

Call setup semplificato Entrambi gli endpoint si sono in precedenza registrati con il gatekeeper Il terminale A inizia la chiamata al gatekeeper (scambio di messaggi RAS) Il gatekeeper fornisce al terminale A l informazione per contattare B Il terminale A invia un messaggio di setup al terminale B Il terminale B risponde con un messaggio Call proceeding e contatta il gatekeeper per ottenere il permesso Il terminale B invia un messaggio Alerting e successivamente un messaggio Connect I terminali si scambiano messaggi H.245 per conoscere le capacità dei terminali e eprire i canali logici Terminale A 1. ARQ 2. ACF Gatekeeper 3. SETUP 4. Call proceeding 5. ARQ 6. ACF 7. Alerting 8. Connect Messaggi H.245 RTP Media Path RAS messages Call signalling messages I terminali stabiliscono i media path RTP presenta altri scenari di call setup VoIP 36 Terminale B N.B.: Il diagramma illustra un semplice call setup point-to-point in cui la segnalazione di chiamata non è routed verso il gatekeeper. La Recc. H.323

Versioni di H.323 Versione Data H.323 Versione 1 Maggio 1996 H.323 Versione 2 Gennaio 1998 H.323 Versione 3 Settembre 1999 H.323 Versione 4 Novembre 2000 VoIP 37

MGCP Media Gateway Control Protocol A protocol for controlling telephony gateways from external call control elements called media gateway controllers or call agents IETF RFC 2705 Media Gateway Control Protocol È un protocollo conforme alle linee guida della API Media Gateway Control Protocol Architecture and Requirements specificata nella RFC 2805 VoIP 38

Elementi Struttura minima di un PoP PSTN SG SIGTRAN MG RTP MGCP MGC (Call Agent) SIP/H.323 Remote CA VoIP 39

Componenti Il Call Agent o Media Gateway Controller: Fornisce al MG il call signalling, il controllo e l intelligenza di elaborazion Informa il MG degli eventi che devono essere comunicati al MGC Informa il MG circa la connessione tra gli endpoints Comunica al MG i segnali da trasmettere agli endpoints Scambia con il MG comandi e controlli Il Media Gateway: Fornisce la traduzione tra reti circuit switched e reti packet switched Esegue i comandi provenienti dal Call Agent Trasmette al call agent le notizie circa gli eventi negli endpoints VoIP 40

Flusso di chiamata (semplificato) Call Agent (MGC) Quando phone A sgancia, il MG A trasmette un segnale al MGC Il MG A genera i toni di selezione e raccoglie le cifre selezionate MGCP MGCP Le diverse cifre sono forwarded al Call Agent Media Gateway A RTP/RTCP Media Gateway B Il Call Agent determina come instradare la call Il Call Agent trasmette i comandi al Media Gateway B MG B trasmette il ringing a phone B 1 2 3 4 5 6 7 8 9 * 8 # Analog phone A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 * 8 # Analog phone B Il Call Agent invia a entrambi i MG i comandi per stabilire le sessioni RTP/RTCP VoIP 41

Caratteristiche di MGCP Protocollo master/slave Usato tra i Call Agent e i Media Gateway MGCP presume che gli endpoint siano dotati di intelligenza limitata e che questa sia concentrata nei Call Agent Diverso da SIP e H.323 che sono protocolli peer-to-peer Interlavora con SIP e H.323 VoIP 42

Messaggi MGCP In MGCP i pacchetti sono di tipo command o response In MGCP, ogni command ha una sua transaction ID e riceve un response I command iniziano con nome di 4 lettere (verb) indicante un azione I response iniziano con un response code di 3 cifre Esistono 8 verb diversi per 5 gruppi di comandi AUEP, AUCX, CRCX, DLCX, MDCX, NTFY, RQNT, RSIP VoIP 43

Messaggi MGCP (2) Interrogazione circa lo stato di un MG Gestione (da parte di un MGC ma anche di un MG) di una connessione RTP su un MG Richiesta al MG della notifica di eventi Indicazione al MGC di un evento per cui aveva richiesto notifica AUEP - Audit Endpoint AUCX - Audit Connection CRCX - Create Connection DLCX - Delete Connection MDCX - Modify Connection RQNT - Request for Notification NTFY - Notify Indicazione al MGC dello stato di restarting RSIP - Restart In Progress VoIP 44

Messaggi MGCP (3) Response code formati da 3 cifre 7 gruppi di response code definiti dalla prima cifra 0xx 1xx 2xx 4xx 5xx 8xx 9xx Response acknowledgement Provisional response Successful completation Transient error Permanent error Package specific Reason VoIP 45

MGCP, SIP e H.323 MGCP divide tra le funzioni di call setup/control e di media establishment MGCP non sostituisce SIP o H.323. SIP e H.323 forniscono un call setup/control symmetrico o peer-to-peer MGCP interopera con H.323 e SIP Un MGC accetta richieste di call setup SIP o H.323 Il MGC usa MGCP per controllare il MG Nella figura, un gateway H.323 è decomposto in: Un MGC che fornisce segnalazione Un gateway che gestisce i media Il protocollo MGCP è usato per controllare il gateway Gateway H.323 MGC MGCP H.323 Gateway H.323 RTP/RTCP Il MG instaura delle media session con altri endpoint H.323 o SIP VoIP 46 MG

Esempio di confronto H.323 MGCP 1. Un utente solleva la cornetta e seleziona un numero 2. Il gateway determina come instradare la call 3. I 2 gateway scambiano le informazioni di capability 4. Il gateway answering effettua il ringing 1. Un utente solleva la cornetta e seleziona un numero 2. Il gateway notifica l evento dell endpoint al Call Agent 3. Il MGC determina le capability e le informazioni di routing e trasmette ai MG i comandi per aprire la sessione 5. I 2 gateway stabiliscono una sessione RTP/RTCP 3 2 MGC 1 H.323 Gateway 5.RTP/ RTCP H.323 Gateway 4 1 MG A RTP RTCP MG B VoIP 47

MeGaCo Un protocollo che si è evoluto a partire da MGCP ed è stato sviluppato in modo congiunto da ITU e IETF: Megaco IETF H.248 or H.GCP - ITU Ulteriori informazioni: http://www.packetizer.com/voip/mgcp/ VoIP 48