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28.01.2000 - 

Technische Grundlagen von Voice over IP

Die Sprache im Datenkorsett zwickt an einigen Stellen

Dem Telefonieren übers Internet (Voice over IP) gehört die Zukunft. Zwar überzeugt die Sprachqualität bisher noch nicht, doch winken Kosteneinsparungen und neue Anwendungsmöglichkeiten. Petra Borowka* beschreibt die zugrunde liegende Technik.

Konvergenz heißt das Zauberwort, unter dem viele neue Entwicklungen in der Informationstechnologie (IT) und in der Telekommunikation (TK) vermarktet werden. Im Fall der Telefonie bedeutet es, zwei Bereiche zusammenzuschweißen, die bislang getrennt waren und sich stark unterschieden - nämlich Telefon- und Datennetze. Anders ausgedrückt könnte man auch sagen: Etablierte Zuverlässigkeit paart sich mit kreativem Chaos.

Die Überführung der Sprachkommunikation von der traditionellen leitungsorientierten Technologie zur paketvermittelten Infrastruktur birgt Chance und Risiko zugleich. Die Chance liegt dabei weniger in den Kosteneinsparungen durch günstigere Telefontarife, als vielmehr in den neuen Möglichkeiten, die Unternehmen durch völlig neuartige Applikationen erlangen.

Der Schritt zu integrierten Netzen birgt aber auch Risiken. Er erfordert, die bewährten Designregeln des weltweit verbreitetesten TK-Dienstes - der Telefonie - auf Basis des Internet Protocol (IP) völlig neu zu gestalten. Die IP-Telefonie befindet sich allerdings, gemessen am hohen technischen Stand der leitungsvermittelten Sprachübertragung, gegenwärtig noch in einem eher als pubertär zu bezeichnenden Entwicklungsstadium.

Die Migration hin zur IP-Telefonie könnte man auch als Schritt von den Plain Old Telephony Services (Pots) zu den Plenty Of New Services (Pons) bezeichnen. Doch wie sehen solche Anwendungen der Zukunft aus? Ziemlich sicher ist, dass der Anwender künftig, statt zum Telefonhörer zu greifen, mit seiner Rechnertastatur ins Zeitalter von E-Commerce, Computer Telephony Integration (CTI), Conferencing und Call-Center vordringen wird. Bei Nichterreichbarkeit des angewählten Telefonpartners könnte automatisch eine Weiterschaltung zu dem Ort erfolgen, wo er sich gerade aufhält. Möglich wäre auch, dass ein E-Mail-Menü erscheint, in das nur noch ein Rückruftext eingetragen werden muss, oder eine Voice-Mail den Angerufenen als E-Mail erreicht.

Kunden könnten in der telefonischen Warteschleife künftig, statt 30-mal den Evergreen der Telefonanlage zu hören, die aktuellen Web-Seiten oder Videoclips des Geschäftspartners auf dem PC gezeigt bekommen. Zum Standard gehört in Zukunft auch, dass man per Mausklick auf den Call-Button einer Website sofort eine Verbindung zu dem entsprechenden Unternehmen aktiviert, um Informationen einzuholen oder Bestellungen in Auftrag zu geben. Statt einer 0800-Nummer könnte von einer Web-Seite aus auch ein Gespräch zur Hotline, zum Call-Center oder zum Support eines Anbieters erfolgen. Wer sich für Services dieser Art interessiert, ist ein Kandidat für IP-Telefonie.

Bei der Internet-Sprachübertragung gibt es jedoch mehrere Restriktionen: Ein Handikap ist, dass IP von Haus aus keine garantierten Übertragungszeiten vorsieht, der Transport von Sprache aber die Sicherung einer bestimmten Quality of Services (QoS) erfordert. Die Sprache wird jedoch auf dem Weg über IP-Netze in Datenpakete zerstückelt, und es kommt zu unterschiedlichen Paketlaufzeiten. Sogar mit Paketverlusten ist zu rechnen. Die Folge sind schlechte Tonqualität oder sogar die Unterbrechung des Telefonats. Um diese Gefahr einzudämmen, benutzen Internet-Telefonie-Anwendungen heute das Real Time Protocol (RTP) und dessen immanenten Teil, das Real Time Control Protocol (RTCP) (siehe Abbildung unten).

Ein zweites Manko der Internet-Telefonie ist die unterschiedliche Sprachcodierung: Neben proprietären Lösungen lässt auch der Standard H.323 verschiedene Verfahren zur Ver- und Entschlüsselung zu. Moderne Soundkarten unterstützen Methoden wie die A- and Ê-Law-Pulse-Code-Modulation, Adaptive Delta Pulse Code Modulation (ADPCM), G.711, G.723 und G.729/729A.

Als dritter Knackpunkt sind die unterschiedlichen Protokolle zu nennen, die in den Applikationen der Hersteller zum Einsatz kommen. Telefonpartner, die über das Internet kommunizieren, müssen deshalb im Regelfall das gleiche Produkt verwenden, zumindest dann, wenn sie die volle Funktionalität nutzen möchten.

Der genannte Standard H.323 ist die Bezeichnung für eine Reihe von mehr oder weniger akzeptierten Spezifikationen für multimediale Kommunikation, die keine garantierte Dienstgüte zur Verfügung stellen. Dazu zählt auch IP-Telefonie im LAN. Zu den definierten Komponenten gehören User Terminals, Gatekeeper, die für die Autorisierung, Adressresolution und das Bandbreiten-Management verantwortlich zeichnen, Multipoint Control Units (MCU) für die Konferenzsteuerung und Gateways zur Verbindung mit dem traditionellen öffentlichen Telefonnetz - im Fachjargon Public Switched Telephone Network (PSTN) genannt.

Um eine Verbindung herzustellen, sendet ein H.323-Terminal mittels Registration Admission Status (RAS) eine Anfrage an den Gatekeeper. Der Verbindungsaufbau erfolgt über Q.931-Signalisierung oder über Session Initiation Protocol (SIP), Media Gateway Control Protocol (MGCP) mit höherer Funktionalität oder proprietäre Verfahren. Mit Hilfe des Protokolls H.245 werden die unterstützten Funktionen ausgehandelt. H.245 dient als Zusatzspezifikation für Sicherheitsfunktionen. Der Standard T.120 definiert Zusatzapplikationen wie Multipoint File Transfer (für Konferenzen), Whiteboard oder Chat. Eine IP-Telefonie-Applikation stellt für alle Telefonie- und Zusatzfunktionen eine grafische Bedienungsoberfläche bereit (siehe Grafik Seite 33).

Die tatsächliche Telefonverbindung verwendet für die codierten Signale RTP, das eine Zeitsteuerung und Sequenzierung der Übertragung ermöglicht. Die Nutzung des User Datagram Protocol(UDP) ist auch deswegen sinnvoll, weil im Gegensatz zu TCP auf jegliche Empfangsbestätigung verzichtet werden kann. Der Grund: Eine Paketwiederholung, wie bei TCP üblich, wäre bei der Telefonie unnötig und würde nur zu einem unnötigen Overhead und zu Verzögerungen führen. Signalisierung und Zusatzapplikationen erweisen sich jedoch über TCP als sinnvoll, da hier nicht die Echtzeitbedingungen den Ausschlag geben, sondern Fehlerfreiheit. Wenn der Kunde am Ende eines Telefonats mit dem Sachbearbeiter einen Kaufauftrag abschließt, wäre er kaum begeistert, würde die entsprechende E-Mail beziehungsweise Web-Bestellung durch einen Übertragungsfehler aus der Bestellnummer A007 eine B993 machen!

Utopisch ist allerdings die Annahme, alle Unternehmen und die privaten Anwender würden jetzt ihre traditionellen Telefone durch Multimedia-PCs oder IP-Telefone ersetzen. Gegenwärtig ähnelt die Gruppe der IP-Telefonierer eher einem verstreuten Archipel im Weltmeer. Um sich überhaupt zu etablieren, muss die IP-Telefonie daher den Übergang zwischen der schönen neuen Welt und den alten Telefonservices schaffen. Dies ermöglicht halbwegs die Gateway-Funktion in H.323. Der aktuelle Gateway-Markt für Voice-over-IP (VoIP) spiegelt das Kräftemessen aller beteiligten Hersteller wider: Dort lassen die TK-Unternehmen, die Internetworker, aber auch neue Systemhäuser mit Softwarelösungen die Muskeln spielen.

Begraben sollte man Pläne, IP-Telefonie über ein Ethernet mit vierfach kaskadierten modularen Hub-Systemen und einer Kollisionsdomänen-Größe von 50 bis 300 Anschlüssen zu betreiben. Kollisionsgefährdete Netze mit niedriger Kapazität und somit notorischer Hochlast erweisen sich als völlig ungeeignet für Realzeit-Anwendungen wie VoIP. Diese Technologie erfordert ein Netzdesign mit möglichst dedizierter Geräteanbindung an Switch-Ports und mindestens 10 Mbit/s, besser 100 Mbit/s am Endgerät sowie eine Backbone-Kapazität von mehreren 100 Mbit/s oder im Gbit/s-Bereich. Entweder sollte die Netzlast in der Spitze nicht mehr als 50 Prozent betragen, oder es muss eine entsprechende Priorisierung stattfinden. Im Kernnetz sollte man mindestens Layer-3-Switching zur Eingrenzung von Broadcasts anstreben, besser noch Layer-4-Switching zur Priorisierung.

Die Entwicklung von IP-Telefonie auf der Basis von internationalen Standards kann dem Anwender neue Einnahmequellen und gesteigerte Produktivität durch neue Applikationen bringen. Sprach- und Datennetze zu verschmelzen ist aber keine neue Idee. Dasselbe sollten auch schon ISDN, Breitband-ISDN und ATM. Fragt sich, ob die erreichbare Konvergenz mit VoIP attraktiv genug ist, damit sich die Idee diesmal verwirklichen lässt.

Links

Http://www.databeam.com/h323/h323primer.html;

http://computer.org/internet/telephony;

http://www.ietf.org/rfc/rfc2543.txt;

http://www.phonezone.co/ip-phone.html sowie

http://www.pulver.com/fwd/.

GLOSSAR

G.729, G.723

Kompressionsverfahren für Sprachübertragungen, die übertragungsfreie Zeiten während Gesprächen unterdrücken, um Bandbreite beim Datentransfer einzusparen.

H.323

Von der International Telecommunication Union (ITU) entwickelter Standard, um den Austausch von multimedialen Daten (Sprache, Bilder, Video) in Netzen zu regeln. Es handelt sich dabei um eine Erweiterung der H.320-Spezifikation. H.323 war bislang vor allem für Videokonferenzen von Bedeutung.

Q.931

Schmalband-ISDN-Protokoll, über das bei Sprachkommunikation über Netzwerke der Verbindungsauf- und -abbau sowie die Kontrolle der Übertragung realisiert werden.

RSVP

Resource Reservation Protocol. Ein neuer Protokollstandard, der die Reservierung von Bandbreite in IP-basierten Netzen ermöglichen soll. RSVP ist notwendig, um Dienstequalitäten (Quality of Service = QoS) zu realisieren.

RTP

Das Real Time Protocol ist eine Unternorm des H.323-Protokoll-Stacks. RTP sorgt dafür, dass UDP-Pakete (siehe unten) beim Empfänger in der richtigen Reihenfolge eintreffen - eine Funktion, die bei Sprach- und Videoübertragungen in Echtzeit sehr wichtig ist.

T.120

Ebenfalls von der ITU definierte Norm, die ein Regelwerk für Datenkonferenzn darstellt. Application Sharing, Whiteboarding und Dateitransfers werden dadurch geregelt.

UDP

User Datagram Protocol. Ein Bestandteil der Protokollfamilie TCP/IP, der weder eine Empfangsbestätigung beim Versenden von Datenpaketen noch Mechanismen zum Wiederverschicken verloren gegangener Pakete vorsieht. Es ist daher relativ unzuverlässig, erzeugt aber durch den geringen Overhead weniger Last im Netz.

Whiteboard

Bei dieser Anwendung arbeiten mehrere Konferenzteilnehmer an einem sogenannten Whiteboard, das heißt einer für alle sichtbaren Tafel, um zum Beispiel gemeinsam Zeichnungen anzufertigen oder zu modifizieren.

VoIP: Schritte zum Erfolg

Analysemessungen zur Prüfung, wie viel Echtzeitlast das Netz verkraftet, insbesondere auch für WAN-Verbindungen;

-Reduzieren der Kaskadierung, das heißt die Anzahl in Reihe geschalteter Router und Layer-3-Switches;

-Auswahl skalierbarer Produkte, die modular ausbaubar sind;

-Evaluieren der Anwendungsbedürfnisse: nur Telefonie oder CTI oder Conferencing oder alles zusammen;

-im Vorfeld prüfen, welche Standards und vor allem welche Standardoptionen einzelne Produkte unterstützen;

-die Kompatibilität zu anderen Herstellern, Gateways und fremden Applikationen schriftlich zertifizieren lassen;

-Checkliste aufstellen, die definiert, was von einer IP-Telefonlösung erwartet wird;

-Implementieren einer Testlösung, die mit der Checkliste verglichen wird sowie

-zusätzlich zu den Kosten für die Ausrüstung auch die Kosten für Betrieb und Management berechnen.