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- Herausgeber: GRIN Verlag
- Sprache: Deutsch
Bachelorarbeit aus dem Jahr 2010 im Fachbereich Informatik - Angewandte Informatik, Note: 1, Fachhochschule Technikum Wien, Sprache: Deutsch, Abstract: Die Übermittlung der Sprache über ein auf dem Internet Protokoll basierenden Netzwerk stellt einen neuen Ansatz der Telefonie dar. Man spricht bei diesem neuen Ansatz von „Voice over Internet Protocol“ oder kurz VoIP. Nutzt man für die Sprachkommunikation VoIP über das Medium Internet, anstatt dafür die Netzinfrastruktur eines Telekommunikationsanbieters zu verwenden, so entstehen dadurch viele Vorteile und neue Möglichkeiten. Jedoch müssen einige wesentliche Anforderungen erfüllt werden, bevor VoIP eines Tages die herkömmliche Telefonie möglicherweise vollkommen ersetzen kann. Zwei wichtige Aspekte betreffen hier einerseits die Sicherheit und andererseits die Gewährleistung einer bestimmten Dienstgüte. Beide Punkte werden in der vorliegenden Arbeit betrachtet, wobei der Hauptfokus auf der Bereitstellung der Dienstgüte liegt. Im praktischen Teil dieser Arbeit wird eine VoIP-Umgebung realisiert, die bestimmte Dienstgüte-Kriterien erfüllt. Kernstück dieser Umgebung ist ein Server, der sowohl die Vermittlungsfunktion übernimmt als auch die geforderte Dienstgüte bereitstellt. Als Betriebssystems des Servers wird GNU/Linux eingesetzt, da Linux mit dem Programm „tc“ sämtliche Möglichkeiten zur Verfügung stellt, um jede Art der Dienstgüte zu realisieren. Weiters bietet die Nebenstellenanlagen-Software „Asterisk“ auf Open Source-Basis die umfangreichste Unterstützung für dieses Betriebssystem. Die „Asterisk“-Applikation übernimmt in der VoIP-Umgebung die Vermittlungsfunktion und wird daher ebenso näher betrachtet. Als Ergebnis dieser Arbeit wird die Frage beantwortet, ob VoIP-Telefonie bezüglich der Qualität der traditionellen Telefonie ebenbürtig ist.
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Veröffentlichungsjahr: 2013
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Kurzfassung
Die Übermittlung der Sprache über ein auf dem Internet Protokoll basierenden Netzwerk stellt einen neuen Ansatz der Telefonie dar. Man spricht bei diesem neuen Ansatz von „Voice over Internet Protocol“ oder kurz VoIP. Nutzt man für die Sprachkommunikation VoIP über das Medium Internet, anstatt dafür die Netzinfrastruktur eines Telekommunikationsanbieters zu verwenden, so entstehen dadurch viele Vorteile und neue Möglichkeiten.
Jedoch müssen einige wesentliche Anforderungen erfüllt werden, bevor VoIP eines Tages die herkömmliche Telefonie möglicherweise vollkommen ersetzen kann. Zwei wichtige Aspekte betreffen hier einerseits die Sicherheit und andererseits die Gewährleistung einer bestimmten Dienstgüte. Beide Punkte werden in der vorliegenden Arbeit betrachtet, wobei der Hauptfokus auf der Bereitstellung der Dienstgüte liegt.
Im praktischen Teil dieser Arbeit wird eine VoIP-Umgebung realisiert, die bestimmte Dienstgüte-Kriterien erfüllt. Kernstück dieser Umgebung ist ein Server, der sowohl die Vermittlungsfunktion übernimmt als auch die geforderte Dienstgüte bereitstellt. Als Betriebssystems des Servers wird GNU/Linux eingesetzt, da Linux mit dem Programm „tc“ sämtliche Möglichkeiten zur Verfügung stellt, um jede Art der Dienstgüte zu realisieren. Weiters bietet die Nebenstellenanlagen-Software „Asterisk“ auf Open Source-Basis die umfangreichste Unterstützung für dieses Betriebssystem. Die „Asterisk“-Applikation übernimmt in der VoIP-Umgebung die Vermittlungsfunktion und wird daher ebenso näher betrachtet.
Als Ergebnis dieser Arbeit wird die Frage beantwortet, ob VoIP-Telefonie bezüglich der Qualität der traditionellen Telefonie ebenbürtig ist.
Schlagwörter: Linux, VoIP, Dienstgüte, Asterisk
Abstract
The transmission of voice over an Internet Protocol-based network describes a new approach to telephony. This new approach is called "Voice over Internet Protocol” or VoIP for short. A lot of advantages and opportunities can originate from using VoIP for voice communication over the internet, versus using a network infrastructure of a telecommunications provider.
However, some essential requirements have to be met before VoIP replaces conventional telephony completely. Two important requirements that must be met are ensuring a certain quality of service and providing the necessary security. Both points are considered in this paper, with the focus on providing quality of service.
For the practical part of this paper, a VoIP environment, which includes certain quality of service criteria, is realized. The core element of this VoIP environment is a server which provides the switching function and also the required quality of service. The server’s operating system is GNU/Linux because the Linux program "tc" provides all the required options to realize the needed quality of service. The "Asterisk" software, which is open source, provides the most comprehensive support for this operating system. It is also responsible for the switching function in the VoIP environment, and therefore is examined more closely.
As a result of this work, the question: ‘Is the quality of VoIP telephony and traditional telephony equal?’ is answered.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Voice over IP
2.1 Traditionelle Telefonie
2.2 VoIP als neuer Ansatz
2.3 Qualitätsanforderungen an VoIP
2.4 Sicherheitsaspekte
3 Die Digitalisierung der Sprache
3.1 Sprachcodierungen in VoIP
4 VoIP-relevante Protokolle
4.1 Protokolle für die Sprachdatenübertragung
4.1.1 Das Realtime Transport Protocol (RTP)
4.1.2 Das Realtime Transport Control Protocol (RTCP)
4.2 Signalisierungsprotokolle
4.2.1 H.323-SIG
4.2.2 Session Initiation Protocol (SIP)
4.2.3 Inter-Asterisk eXchange Protocol Version 2 (IAX2)
5 Asterisk
5.1 Funktionen von Asterisk
5.2 Das Konzept des Wählplans bei Asterisk
6 Aufbau und Bewertung einer VoIP-Testumgebung
6.1 Die Testumgebung
6.2 Anforderungen an das Testszenario
6.2.1 Anforderungen an die Firewall
6.2.2 Anforderungen in Bezug auf QoS
6.2.3 Anforderungen in Bezug auf die Nebenstellenfunktionalität
6.3 Vorbereitungsmaßnahmen
6.3.1 Konfiguration der Netzwerk-Schnittstellen
6.3.2 Installation von SSH
6.3.3 Installation von Asterisk und optionalen Zusatzpaketen
6.4 Die Umsetzung der Anforderungen
6.4.1 Die Implementierung der Firewall
6.4.2 Die Bereitstellung von QoS
6.4.3 Die Integration der Nebenstellen in das VoIP-System
6.5 Die Bewertung der Gesprächsqualität
7 Fazit
Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
Anhang A: Die Datei /etc/network/interfaces
Anhang B: Die Firewall /etc/init.d/firewall_on
Anhang C: Die QDisc /etc/init.d/qdisc_on
Anhang D: Asterisk-Konfigurationsdateien
1 Einleitung
Herkömmliche Telefonie benötigt als Grundlage eine Netzinfrastruktur, die es ermöglicht, leitungsorientierte Verbindungen zwischen zwei beliebigen Teilnehmern innerhalb dieser Infrastruktur herzustellen. Diese Infrastruktur wird in der Regel von einem Telekommunikationsanbieter zur Verfügung gestellt und hat sich über Jahrzehnte bewährt.
Die physikalische Leitung, die im Falle einer Vermittlung über eine oder mehrere Vermittlungsstellen geschalten wird, steht ausschließlich den beteiligten Gesprächsteilnehmern mit der vollen Bandbreite zur Verfügung. Diese funktionierende und qualitativ hochwertige Netzinfrastruktur hat jedoch einen entscheidenden Nachteil: Der Telekommunikationsanbieter möchte für die Bereitstellung dieser Infrastruktur bezahlt werden.
Voice over IP (VoIP) ist ein neuerer Ansatz, der diesen Nachteil umgehen will. Unter VoIP versteht man die Übermittlung der digitalisierten Sprache, eingebettet in eine entsprechende Anzahl an Paketen, über ein IP-Netzwerk. Da es sich beim Internet um ein solches Netzwerk handelt, ist die Möglichkeit einer weltweiten Sprachkommunikation gegeben.
Diese neu gewonnene Möglichkeit birgt jedoch auch eine Vielzahl an Herausforderungen in sich, die bewältigt werden müssen, um den bisher gewohnten Qualitätsstandards gerecht zu werden. Kapitel 2 gibt einen kurzen Überblick auf die elementarsten Herausforderungen an ein VoIP-System: die Erfüllung von Quality of Service (QoS)-Anforderungen sowie sicherheitsbezogene Aspekte, die auf keinen Fall vernachlässigt werden dürfen.
Eine der zu bewältigenden Hürden ist die Umwandlung eines analogen Sprachsignals in eine digitale Form. Hier soll versucht werden, die Größe der generierten Pakete möglichst klein zu halten, damit die Sprachdatenübertragung auch in Umgebungen mit geringer Bandbreite zufriedenstellend funktioniert. Auf der anderen Seite soll die Umwandlung derart geschehen, dass möglichst wenig Informationen des ursprünglichen (analogen) Sprachsignals verloren gehen. Dies ist notwendig, damit bei der Rekonstruktion des digitalen in ein analoges Signal möglichst keine Unterschiede zum Original feststellbar sind. Der Algorithmus, der diese Codierung bzw. Decodierung vornimmt, wird als Codec bezeichnet. Das Grundprinzip der Digitalisierung der Sprache sowie die Funktionsweise und Eigenschaften der gebräuchlichsten Codecs wird in Kapitel 3 beschrieben.
Die nach der Codierung entstandenen Pakete müssen nach einem erfolgreichen Verbindungsaufbau übertragen werden. Sowohl für den Vorgang des Verbindungsaufbaus, man spricht hier von Signalisierung, als auch für die anschließende Übertragung der Sprachdatenpakete sind spezielle Protokolle notwendig. Kapitel 4 verrät, um welche Protokolle es sich dabei handelt.
Die beiden anschließenden Kapitel 5 und 6 beschäftigen sich mit einer Nebenstellenanlage auf Softwarebasis, die primär für das Betriebssystem GNU/Linux entwickelt wird. Konkret handelt es sich hierbei um die Software „Asterisk“, mit deren Hilfe nicht nur eine Telefonieumgebung mit einer Vielzahl an Teilnehmern realisiert werden kann. Vielmehr bietet diese Applikation derart viele Funktionen, die in ihrer Gesamtheit in einer käuflich erwerbbaren, Hardware-basierten Nebenstellenanlage schwer zu finden sind.
Ebenfalls in Kapitel 6 enthalten ist die Behandlung der QoS-Anforderungen, die in einer VoIP-Umgebung zu erfüllen sind. Auch hier ist GNU/Linux wieder das Betriebssystem erster Wahl, da es die erforderlichen Mittel zur Realisierung von QoS anhand des Programms „tc“ zur Verfügung stellt.
2 Voice over IP
Dieses Kapitel vergleicht die beiden unterschiedlichen Ansätze der bisherigen leitungsvermittelten Telefonie und der neuartigen VoIP-Telefonie auf Basis der Paketvermittlung. Neben der Auflistung der Vor- und Nachteile der Sprachkommunikation über ein IP-Netzwerk wird auch auf das ENUM-Konzept eingegangen, welches notwendig ist, um auch für Gesprächspartner aus fremden Netzen erreichbar zu sein.
Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen an ein VoIP-System im Produktiveinsatz sind ebenfalls zu erfüllen. Welche Kriterien dabei zu beachten sind, wird in den letzten beiden Unterkapiteln 2.3 und 2.4 erläutert.
2.1 Traditionelle Telefonie
Schon ein Jahr nach der Erfindung des Telefons durch Alexander Graham Bell im Jahr 1876[1] wurde die Firma „Bell Telephone Association“ (heute AT&T) mit der Absicht gegründet, eine Telefonnetz-Infrastruktur in den USA aufzubauen. Der Beginn der Errichtung von Telefonnetzen in anderen Staaten folgte unmittelbar später.
Anfangs erfolgte die Vermittlung noch manuell, ab Beginn des 20. Jahrhunderts wurden jedoch schon die ersten Versuche unternommen, diesen Vorgang zu automatisieren. Dabei sendete der Teilnehmer durch das Drehen der Wählscheibe eine je nach gewählter Ziffer unterschiedliche Anzahl an Spannungsimpulsen mit einem definierten Puls/Pausen-Verhältnis an die Vermittlungsstelle. Diese Spannungsimpulse wurden von mechanischen Elementen wie z. B. Drehwähler, Hebdrehwähler oder Motorwähler für die Verbindungsherstellung benutzt. Sowohl für die Signalisierung als auch für die Übertragung der Sprache wurde ein einziger analoger Kanal verwendet.
Ende der 80er Jahre des vergangenen Jahrhunderts wurde mit der Einführung von ISDN (Integrated Services Digital Network) begonnen. Das analoge Konzept wurde dabei durch ein digitales ersetzt, sowohl die Signalisierung als auch die Sprachdatenübertragung betreffend. Weiters wurden die Kanäle für diese beiden Aufgaben nun gesplittet, sodass für die Übertragung der Nutzdaten (Sprache, Fax oder Daten) zwei B-Kanäle mit je 64 kbit/s und für die Signalisierung ein D-Kanal mit 16 kbit/s zur Verfügung standen.
Egal, ob es sich um eine manuelle Vermittlung durch das „Fräulein vom Amt“, eine automatisierte analoge Vermittlung durch mechanische Komponenten oder um einenVerbindungsaufbau auf digitale Art und Weise, wie ihn ISDN benutzt, eines haben alle drei Verfahren gemein: Die Vermittlung erfolgt leitungsorientiert, das heißt, bevor ein Gespräch zustande kommen kann, wird eine Verbindung hergestellt, die exklusiv für diese Kommunikation zur Verfügung steht.
2.2 VoIP als neuer Ansatz
Mit VoIP ist es möglich geworden, für eine Sprachkommunikation nicht mehr auf die (in der Regel mit Kosten behaftete) Benutzung einer Infrastruktur eines TelekommunikationAnbieters angewiesen zu sein. Stattdessen wird hier ein Computernetzwerk (hierbei kann es sich sowohl um ein Intranet oder auch das Internet handeln) für diesen Zweck verwendet. VoIP ist dabei jedoch keine weitere Applikation, die die Struktur des Internets nutzt. Vielmehr mussten neue Protokolle entwickelt werden, um bestimmte Anforderung erfüllen zu können, die eine Sprachtelefonie verlangt. Diese Anforderungen werden in Kapitel 2.3 kurz beschrieben.
Abgesehen vom Aspekt der Netzbetreiberunabhängigkeit und der damit auch verbundenen Kostenersparnis existieren noch weitere Vorteile, die für VoIP sprechen. Vor der Existenz von VoIP benötigte ein Unternehmen etwa zwei verschiedenartige Infrastrukturen, eine für deren Intranet und eine zweite für deren Sprachkommunikation. Dabei handelte es sich in der Regel um eine Nebenstellenanlage, an der sämtliche Telefone der Firma angeschlossen waren. Die Hauptaufgabe der Nebenstellenanlage bestand darin, die Konnektivität dieser Telefone untereinander und mit dem öffentlichen Fernsprechnetz zu verwalten. Mittels VoIP kann nun eine einzige Infrastruktur für beide Aufgaben verwendet werden, das im Endeffekt zu Kostenersparnissen führt.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Flexibilität. Herkömmliche Telefonanschlüsse sind ortsgebunden, VoIP hingegen beinhaltet Mechanismen, in der ein Teilnehmer zwar eine einzigartige Adresse besitzt, unter der er erreichbar ist, jedoch kann sich der Teilnehmer an jedem Ort der Welt befinden (sofern er dort einen Anschluss an das Internet vorfindet!).
Ein nicht zu unterschätzender Vorteil ist auch, dass ein VoIP-System in Koexistenz mit herkömmlichen Telefonnetzen existieren kann. Durch den Einsatz entsprechender Gateways ist es nun auch Firmen möglich, eine Umstellung des bisherigen Systems auf VoIP nicht auf einen Schlag durchführen zu müssen. Vielmehr können die entsprechenden Komponenten nach und nach ausgetauscht werden. Man spricht hierbei von einer sanften Migration.
Im Zuge einer Migration stellt sich jedoch folgende Frage: Wie erreiche ich aus meinem gegenwärtigen Netz einen Teilnehmer des anderen Netzes oder wie werde ich erreicht? Das Problem liegt hier also in der Adressierung. An herkömmliche Telefonnetze angeschlossene Endgeräte werden mit sogenannten E.164-Rufnummern adressiert [1]. Die Struktur dieser Adressierung kann aus Abb. 1 entnommen werden.
Die Adressierung der VoIP-Endsysteme erfolgt auf eine andere, inkompatible Art, bestehend aus Benutzer- und Domainnamen, ähnlich dem Aufbau einer E-Mail-Adresse. Im Falle von SIP (Session Initiation Protocol) erfolgt die Adressierung etwa anhand einer SIP URI mit folgendem Format:
Der Anruf aus einem VoIP-Netz, im beschriebenen Fall von einem SIP-Telefon, zu einem Teilnehmer in einem PSTN- oder ähnlichem Fremdnetz ist relativ unproblematisch. Die anzurufende Telefonnummer ist Bestandteil der SIP URI (anstelle des Benutzernamens), welche vor dem Passieren des Gateways extrahiert wird.
Abb. 1: E.164-Rufnummernadressierung nach ITU-T [1]
Ein weitaus größeres Problem stellt der umgekehrte Fall - ein Anruf aus dem Fremdnetz in ein VoIP-Netz - dar. Der Zeichensatz einer E.164-Rufnummer besteht lediglich aus numerischen Zeichen, Adressen mit alphanumerischen Zeichen können also nicht angewählt werden.
Die Lösung für dieses Problem bietet das ENUM-Konzept (E.164 Number Mapping) an. Dabei werden den Teilnehmern im VoIP-Netz auch Telefonnummern im E.164-Format zugewiesen. ENUM wandelt diese Nummer in eine im Internet gültige URL um, damit diese dann per DNS auffindbar ist. Bei der Umwandlung werden dabei im ersten Schritt die in der Nummer enthaltenen Ziffern so positioniert, dass am Schluss die erste Ziffer an letzter Stelle, die zweite Ziffer an vorletzter Stelle usw. steht. Anschließend werden zwischen den Ziffern Punkte eingefügt und im letzten Schritt die Top Level Domain hintangefügt [2]:
E.164-Rufnummer: +43 780 1234567
