Voice over IP - Die Technik

Leseprobe Anatol Badach Voice over IP - Die Technik Grundlagen, Protokolle, Anwendungen, Migration, Sicherheit ISBN: 978-3-446-41772-4 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-41772-4 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, München 4 VoIP und QoS in IP-Netzen Bei VoIP werden bestimmte Anforderungen an IP-Netze hinsichtlich der Qua- QoS- lität bei Übermittlung von Sprache gestellt. Diese Anforderungen bezeichnet Anforderun- man als QoS-Anforderungen (Quality of Service); sie betreffen vor allem die gen Übermittlungszeit und deren Schwankungen sowie Verluste von IP-Paketen mit Sprache. Eine besonders große Auswirkung auf die Qualität des Telefon- gesprächs bei VoIP hat die Ende-zu-Ende-Verzögerung des Sprachsignals, d.h. die Zeit, die das Sprachsignal vom Mund des Sprechers bis zum Ohr des Emp- fängers benötigt. Um die gestellten QoS-Anforderungen erfüllen zu können, kommen verschie- Konzepte dene Konzepte in Frage, wie z.B. Differentiated Services, mehrere Verfahren für QoS- für Management von Warteschlangen mit IP-Paketen vor Leitungen (Queue- Garantie Management) und das Protokoll RSVP (Resource reSerVation Protocol). Im Allgemeinen basieren diese Konzepte auf der Differenzierung von Paket- strömen in IP-Netzen. Hierbei werden den IP-Paketen mit Sprache höhere Prio- ritäten zugeteilt als den IP-Paketen mit Daten. So werden IP-Pakete mit Spra- che im IP-Netz vorrangig „behandelt“. Dieses Kapitel gibt einen Überblick über das Thema QoS bei VoIP. Nach einer Überblick Darstellung von Einflussfaktoren auf die VoIP-Qualität in Abschnitt 4.1 folgt über das in Abschnitt 4.2 eine Auflistung von Verfahren zur Garantie von QoS-Anfor- Kapitel derungen. Auf die QoS-Unterstützung in lokalen Netzwerken geht Abschnitt 4.3 ein. Abschnitt 4.4 erläutert das Konzept von Differentiated Services. Ver- schiedene Verfahren für Queue-Management präsentiert Abschnitt 4.5. Das Protokoll RSVP wird in Abschnitt 4.6 dargestellt. Abschließende Bemerkungen in Abschnitt 4.7 runden das Kapitel ab. In diesem Kapitel findet man u.a. Antworten auf folgende Fragen: Ziel dieses Kapitels Welche Faktoren wirken sich negativ auf die VoIP-Qualität aus? Welche Komponenten enthält die Ende-zu-Ende-Verzögerung des Sprach- signals? Welche Auswirkung für Paketverluste hat ein Jitter-Ausgleichpuffer? Wie ist die QoS-Unterstützung in lokalen Netzwerken und in Weitverkehrs- netzen möglich? Wie funktionieren wichtige Verfahren (CBQ, WFQ, CBWFQ, ...) für Queue-Management? Wie reserviert man die Bandbreite einer virtuellen Verbindung nach dem Protokoll RSVP? 116 4 VoIP und QoS in IP-Netzen 4.1 QoS-Anforderungen bei VoIP VoIP als Bei der Audio- und Videokommunikation über ein IP-Netz und damit auch bei isochrone VoIP wird verlangt, dass die Zeitverhältnisse im Bitstrom an der Sende- und Kommunika- Empfangsseite unverändert bleiben. Damit müssen die Zeitabstände zwischen tion den aufeinanderfolgenden IP-Paketen in einem Audio/Video-Bitstrom auf Sen- de- und Empfangsseite identisch sein. In diesem Zusammenhang spricht man von Isochronität. Daher stellt VoIP eine isochrone Kommunikation dar. Begriff QoS Die Anforderung an das IP-Netz, eine isochrone Kommunikation in guter Qua- lität zu ermöglichen, werden als QoS-Anforderungen bezeichnet. Unter QoS (Quality of Service), auch Dienstgüte genannt, wird die Fähigkeit eines IP- Netzes verstanden, einer Anwendung oder einer Klasse von Anwendungen eine geforderte Bandbreite einer Verbindung bzw. zusätzlich eine maximale Über- mittlungszeit im Netz zu garantieren und hierbei möglichst eine geringe Anzahl von Übermittlungsfehlern und eine geringe Schwankung der Übermittlungszeit einzelner IP-Pakete zu verursachen. 4.1.1 Einflussfaktoren auf die VoIP-Qualität Die wichtigsten QoS-Anforderungen, die VoIP an IP-Netze stellt, betreffen: die Bandbreite von virtuellen Verbindungen zwischen IP-Telefonen, die Ende-zu-Ende-Verzögerung des Sprachsignals (Delay), die Schwankung der Übermittlungszeit (Jitter) und die Paketverlustrate (Packet Loss Rate). Garantie Bei VoIP wird die Sprache zuerst digitalisiert und dann entsprechend codiert (s. einer Abschnitt 5.1). Digitalisierte Sprache stellt ein kontinuierliches Signal mit einer bestimmten konstanten Bitrate dar. Um ein solches Sprachsignal in guter Qualität über ein Bandbreite IP-Netz zu übermitteln, muss das Netz manchmal eine bestimmte Bandbreite für virtuelle Verbindung zwischen IP-Telefonen – also für eine VoIP-Session, siehe Abbildungen 5.2-1 und -2 – garantieren. Dafür wurden spezielle Verfah- ren für das Management der Warteschlangen entwickelt (s. Abschnitt 4.5). Ende-zu- Ein wichtiger Faktor, der die Qualität der Sprache bei VoIP bestimmt, ist die Ende- Ende-zu-Ende-Verzögerung des Sprachsignals. Darunter versteht man die Zeit- Verzögerung spanne, die ein Sprachsignal vom Mund eines Sprechers bis zum Ohr eines Hö- rers benötigt. Die Hauptursache dieser Verzögerung ist die Übermittlungszeit der IP-Pakete mit Sprache über ein IP-Netz. Die Verzögerung entsteht vor al- lem durch die Zwischenspeicherung der IP-Pakete in den Routern, die sie auf ihren Wegen durch das Netz zu durchlaufen haben. Jeder Router benötigt Zeit, um den Header im IP-Paket zu interpretieren und die entsprechende Routing- Entscheidung zu treffen. Trifft ein Paket unterwegs auf einen überlasteten Rou- 4.1 QoS-Anforderungen bei VoIP 117 ter, muss es einige Zeit in der Warteschlange vor der Leitung verbringen und wird im Extremfall sogar ganz verworfen. Eine große Ende-zu-Ende-Ver- zögerung beeinträchtigt den Charakter eines Telefongesprächs stark. Da die einzelnen IP-Pakete auf einer Verbindung zwischen IP-Telefonen in der Jitter Regel auf unterschiedlichen Wegen übermittelt werden, kann ihre Übermitt- lungszeit recht unterschiedlich sein. Die Schwankungen der Übermittlungszeit nennt man Jitter. Die Isochronität bei VoIP lässt jedoch kein Jitter zu. Um die Schwankungen auszugleichen, wird beim Empfänger ein spezieller Puffer imp- lementiert. Man bezeichnet einen derartigen Puffer als Jitter-Ausgleichpuffer (Playout Buffer, Dejitter Buffer) – siehe Abbildung 5.6-1. Die Verluste von IP-Paketen mit Sprache während der Übermittlung mindern Paket- die VoIP-Qualität ebenso. Die Anzahl der Paketverluste in einer bestimmten verluste Zeitperiode wird mit dem Parameter Paketverlustrate angegeben. Paketverluste können durch überlastete Router im IP-Netz oder auch durch einen „schlecht“ dimensionierten Jitter-Ausgleichpuffer entstehen (s. Abb. 4.1-1). Im Gegensatz zu reinen Datenanwendungen wie Überprüfungen von Kreditkarten, bei denen der Verlust von nur einem Paket die gesamte Anwendung zum Scheitern brin- gen kann, ist der Verlust eines IP-Pakets bei der Sprachübertragung nicht be- sonders tragisch. Zu viele Paketverluste machen sich in einem Telefongespräch allerdings sehr störend als Unterbrechungen bemerkbar. Die hier genannten Störfaktoren werden als VoIP-Metriken erfasst. Ein Emp- Störfaktoren fänger der IP-Pakete mit Sprache kann die Werte einiger VoIP-Metriken wäh- als VoIP- rend der Kommunikation ermitteln und diese auch an den Absender der IP- Metriken Pakete mit Hilfe des Protokolls RTCP übermitteln (s. Abschnitt 5.5.6), um ihn so über die Qualität der Kommunikation zu informieren. Um präzise beurteilen zu können, wie die Störfaktoren – wie z.B. Jitter, Paket- E-Modell verluste und Delay – die Sprachqualität beim Empfänger beeinflussen, wurde von der ITU-T das sog. E-Modell im Standard G.107 spezifiziert. Auf das E-Modell gehen wir in Anschnitt 6.4.4 kurz ein. 4.1.2 Ende-zu-Ende-Verzögerung Da die Sprachkommunikation in Echtzeit verläuft, gilt die Wiedergabe eines Sprachsignals am Ziel als qualitativ schlecht, wenn sie nach einem zu großen Zeitverzug erfolgt. Für die Ende-zu-Ende-Verzögerung TEE (End-to-End Delay) des Sprachsignals werden daher Grenzwerte gesetzt. Nach dem ITU-T- Dokument G.114 wird die VoIP-Qualität wie folgt klassifiziert: TEE kleiner als 150 ms: akzeptabel für alle Benutzer; TEE zwischen 150 ms und 300 ms: akzeptabel, aber mit Einschränkungen (nicht für empfindliche Benutzer); 118 4 VoIP und QoS in IP-Netzen TEE größer als 300 ms: nicht akzeptabel. Budget von VoIP mit TEE bis zu 300 ms könnte man als akzeptabel bezeichnen. Bei der TEE Planung eines VoIP-Systems wird eine Qualitätsklasse durch die Festlegung des maximal zulässigen Wertes von TEE festgelegt. Dieser Wert kann als Bud- get von TEE angenommen und darf nicht überschritten werden. Die Einflussfak- toren auf TEE werden im Folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert. Beispiel 1: Abbildung 4.1-1 illustriert die Übermittlung von drei Sprachpaketen P1, P2 und P3 über ein IP-Netz. Es sollen hier alle Komponenten der Ende-zu-Ende-Verzögerung TEE erläu- tert werden. Es wird hier angenommen, dass die Sprachcodierung nach einem segment- orientierten Verfahren stattfindet (s. Abschnitt 5.1.5) und die Verzögerung im Decodierer vernachlässigbar ist. Daher wird hier der Decodierer nicht gezeigt.

Inhaltsverzeichnis Anatol Badach Voice over IP - Die Technik Grundlagen, Protokolle, Anwendungen, Migration, Sicherheit ISBN: 978-3-446-41772-4 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-41772-4 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, München Inhalt 1 Vom einfachen Telefon bis zu Next Generation Networks ................. 1 1.1 Vom Telefon bis zum intelligenten Netz............................................................. 2 1.1.1 Erfindung des Telefons ........................................................................... 2 1.1.2 Vom analogen Telefonnetz zum ISDN ................................................... 4 1.1.3 Vom ISDN zum Intelligenten Netz ......................................................... 6 1.2 Ansätze für VoIP ................................................................................................. 8 1.2.1 Allgemeines über Internet-Telefonie....................................................... 9 1.2.2 Erweiterung von ISDN mit einem IP-Netz ........................................... 11 1.2.3 IP-Netz als Backbone für PSTN/ISDN ................................................. 13 1.2.4 Kleines IP-Netzwerk als IP-TK-Anlage................................................ 15 1.3 Evolution der Mobilfunknetze........................................................................... 19 1.3.1 Aufbau der Mobilfunknetze nach GSM ................................................ 20 1.3.2 Aufbau von GPRS................................................................................. 22 1.3.3 Konzept von UMTS .............................................................................. 23 Vereinfachte Architektur von UMTS.................................................... 24 UMTS-Ausbau und IMS ....................................................................... 25 1.4 VoIP und Konvergenz der Netze....................................................................... 26 1.4.1 Von Singleservice-Netzen zum Multiservice-Netz ............................... 26 1.4.2 Integration von Internet mit Intelligent Network .................................. 29 PINT...................................................................................................... 29 SPIRITS ................................................................................................ 31 1.4.3 Gateway-Plattformen und Migration zu NGNs..................................... 32 1.4.4 Konzept von Parlay/OSA ...................................................................... 35 1.4.5 Konzept von JAIN................................................................................. 39 1.5 IMS als Kern von Next Generation Networks................................................... 41 1.5.1 Allgemeines Konzept von IMS ............................................................. 42 1.5.2 Mobilität von Benutzern in NGNs ........................................................ 43 1.5.3 Registrierung der Lokation eines Benutzers.......................................... 45 1.5.4 VoIP-Session zwischen Benutzern........................................................ 47 1.6 VoIP-Aktivitäten bei Standardisierungsgremien, Organisationen und Foren.... 48 1.6.1 IETF und Internet-Standards................................................................. 48 Organisation der IETF........................................................................... 48 Working Groups mit VoIP-relevanten Themen .................................... 49 1.6.2 ITU-T und Telekommunikationsstandards............................................ 51 Organisation des ITU-T ........................................................................ 51 VoIP-betreffende SGs beim ITU-T....................................................... 52 VI Inhalt 1.6.3 ETSI und VoIP ......................................................................................53 1.6.4 Organisationen und Foren mit VoIP-Aktivitäten...................................54 1.7 Schlussbemerkungen..........................................................................................55 2 Signalisierung in Telefonnetzen und ISDN ........................................ 57 2.1 Signalisierung in Telefonnetzen.........................................................................58 2.2 ISDN-Konzept ...................................................................................................60 2.2.1 ISDN-Schnittstellen...............................................................................61 2.2.2 Protokollbereiche im ISDN ...................................................................62 2.3 D-Kanal-Protokoll..............................................................................................63 2.3.1 Schicht 3 des D-Kanal-Protokolls..........................................................64 2.3.2 Auf- und Abbau einer ISDN-Verbindung..............................................66 2.4 Signalisierungssystem Nr.7................................................................................68 2.4.1 Funktionsteile von SS7 ..........................................................................70 2.4.2 Funktionelle Struktur von SS7...............................................................71 2.4.3 SS7-Verlauf beim Auf- und Abbau einer ISDN-Verbindung................73 2.5 Schlussbemerkungen..........................................................................................75 3 TCP/IP- und VoIP-Protokolle............................................................. 77 3.1 Protokollfamilie TCP/IP.....................................................................................78 3.2 Prinzip der Kommunikation im Internet ............................................................80 3.2.1 Bildung von IP-Paketen .........................................................................81 3.2.2 Prinzip der Kommunikation im Internet ................................................82 3.2.3 Interpretation von IP-Adressen..............................................................83 3.2.4 Zweistufige Adressierung ......................................................................84 3.3 Internet-Protokoll IP ..........................................................................................85 3.4 Transportprotokolle in IP-Netzen.......................................................................86 3.4.1 Verbindungsloses Transportprotokoll UDP...........................................87 Nachteil der UDP-Fehlerkontrolle bei VoIP..........................................88 UDP-Lite ...............................................................................................89 3.4.2 Verbindungsorientiertes Transportprotokoll TCP .................................90 TCP-Nutzung.........................................................................................91 Aufbau und Abbau einer TCP-Verbindung ...........................................93 3.5 Einsatz von DNS................................................................................................95 3.5.1 Aufbau des DNS-Namensraums ............................................................96 3.5.2 Resource Records ..................................................................................97 3.5.3 Beispiel für eine Namensauflösung .......................................................98 3.5.4 Ermittlung des SIP-Proxy in einer anderen Domain..............................99 3.6 Protokolle für VoIP – eine Übersicht ...............................................................102 Inhalt VII 3.7 Bedeutung des Protokolls SCTP...................................................................... 105 3.7.1 SCTP versus UDP und TCP................................................................ 105 3.7.2 SCTP-Assoziationen ........................................................................... 106 3.8 ENUM – Konzept und Einsatz ........................................................................ 108 3.8.1 Bildung von ENUM-Domainnamen und NAPTR-RRs ...................... 110 3.8.2 Beispiele für den ENUM-Einsatz........................................................ 112 3.9 Schlussbemerkungen ....................................................................................... 114 4 VoIP und QoS in IP-Netzen ............................................................... 115 4.1 QoS-Anforderungen bei VoIP ......................................................................... 116 4.1.1 Einflussfaktoren auf die VoIP-Qualität ............................................... 116 4.1.2 Ende-zu-Ende-Verzögerung................................................................ 117 4.1.3 Übermittlungszeit über ein IP-Netz..................................................... 121 4.1.4 Jitter-Ausgleichpuffer und Paketverluste ............................................ 123 4.

Vorwort Die heutige Gesellschaft kann man sich ohne Telefon kaum noch vorstellen. Das Internet ist inzwischen auch zum unabdingbaren Kommunikationsmedium geworden, über das jeder zu jeder Zeit Informationen über fast alles abrufen und E-Mails senden und empfangen kann. Das Internet ist ein weltweites Rechnernetz, in dem die Daten nach dem sog. Internet Protocol (IP) übermit- telt werden. Man kann es auch als Dienst für die Übermittlung von Informatio- nen in Form von IP-Paketen ansehen. Vergleicht man diesen Dienst mit dem Briefdienst der Post, so entspricht ein IP-Paket einem Brief und die sog. IP- Adresse einer postalischen Adresse. Auch in anderen Netzen werden Daten als IP-Pakete übermittelt. Alle Rechnernetze mit dem Protokoll IP bezeichnet man als IP-Netze und wünscht sich, dass in diesen Netzen auch die Sprachkommu- nikation stattfinden kann. Die Übermittlung von Sprache in IP-Paketen be- zeichnet man als Sprache über IP bzw. kurz VoIP (Voice over IP). VoIP bedeutet nicht nur zwei Telefone und IP dazwischen. Hinter diesem Beg- VoIP: riff verbergen sich sehr komplexe Vorgänge. Hierzu gehören sog. Signalisie- nicht nur rungsprotokolle, nach denen eine Verbindung zwischen Telefonen vor dem Te- zwei Telefone lefongespräch aufgebaut und danach abgebaut werden kann. Die Signalisie- und IP rungsprotokolle H.323 und SIP sind in der „IT-Welt“ bereits populär gewor- den. Ein Telefon für VoIP, d.h. ein IP-Telefon, ist nicht mehr nur ein Telefon, sondern ein Rechner an einem IP-Netz, der eine IP-Adresse hat. Das IP- Telefon hat zusätzlich eine VoIP-spezifische Adresse, die eine Telefonnummer sein kann. Eine Telefonverbindung im Telefonnetz wird unter einer Telefon- nummer aufgebaut. Bei VoIP wird zwar das Ziel der Verbindung mit einer VoIP-spezifischen Adresse – z.B. einer Telefonnummer – angegeben, aber die- se Verbindung kann bei IP nur unter einer IP-Adresse aufgebaut werden. Das ist ein Beispiel für die vielen Probleme bei VoIP. Dieses Buch stellt sowohl die Technik von VoIP als auch die Migration zu Ziel des VoIP und die VoIP-Sicherheit fundiert dar und geht hierfür u.a. auf folgende Buches Themen ein: die Perspektiven der Sprachkommunikation, die Signalisierung im Telefonnetz und im ISDN, die Internetprotokollfamilie, Quality of Service, wichtige Sprachcodierungsverfahren, die Prinzipien der Echtzeitkommunika- tion mit RTP/RTCP und mit Secure RTP, den Standard H.323 und das Proto- koll SIP, VoIP-Gateways, Peering bei VoIP und SIP Security. Das Buch ver- mittelt die unabdingbaren Informationen, um die Sprachkommunikation in IP- Netzen (z.B. im Internet) besser zu verstehen, diese zu nutzen und neue VoIP- Anwendungen zu konzipieren bzw. auch entwickeln zu können. XVI Vorwort An wen Das Buch ist so aufgebaut, dass jeweils zunächst die Grundlagen fundiert dar- richtet sich gestellt und danach praktische Anwendungen diskutiert werden. Damit eignet das Buch? es sich nicht nur als Lehrbuch für Studenten und Neueinsteiger, sondern auch als Nachschlagewerk für alle Experten, zu deren Aufgaben die Entwicklung, Planung oder Betreuung verschiedener Netzwerke oder Netzwerkapplikationen gehört. Die praxisorientierte, fundierte und reichlich illustrierte Darstellung der Inhalte sollte allen „Netzwerk-Fans“ die Nutzung dieses Buches im Selbststu- dium ermöglichen. Kapitel 1 Ein kompakter Überblick über klassische Netze für Sprachkommunikation, Mobilfunknetze (GSM, UMTS), Ansätze für VoIP sowie eine Einführung in Next Generation Networks (NGN), die durch die Konvergenz der Netze entste- hen, enthält Kapitel 1. Die VoIP-Aktivitäten der verschiedenen Standardisie- rungsgremien, Konsortien und Foren werden hier ebenfalls kurz dargestellt. Kapitel 2 Den Prinzipien der Signalisierung, also der Übermittlung der Steuerung beim Auf- und Abbau von Telefonverbindungen, widmet sich Kapitel 2. Die Schwer- punkte liegen hier auf einer fundierten Darstellung des D-Kanal-Protokolls aus dem ISDN und des Signalisierungssystems Nr. 7. Diese Inhalte sind das Ba- siswissen für VoIP. Kapitel 3 Die Grundlagen der Internetprotokollfamilie (IP, TCP, UDP, SCTP ...), die man bei VoIP benötigt, vermittelt Kapitel 3. Insbesondere wird hier auf die Bedeu- tung von DNS (Domain Name System) bei VoIP mit SIP eingegangen. In die- sem Kapitel wird auch das Konzept ENUM präsentiert, nach dem die Telefon- nummern auch bei VoIP verwendet werden können. Kapitel 4 Hinsichtlich der Qualität der Übermittlung der Sprache in IP-Netzen werden bestimmte Anforderungen an diese Netze gestellt, die man als QoS-Anfor- derungen bezeichnet. Welche Konzepte es gibt, um diese Anforderungen zu er- füllen, zeigt Kapitel 4. Insbesondere werden die für VoIP wichtigen QoS-Para- meter, Differentiated Services, Queue-Management und das Protokoll RSVP für die Reservierung der Bandbreite dargestellt. Kapitel 5 Sprachkommunikation ist Echtzeitkommunikation. Um sie zu realisieren, ver- wendet man die Protokolle RTP und RTCP. Kapitel 5 zeigt zuerst, wie die Sprache nach verschiedenen Verfahren codiert und mit Hilfe von RTP/RTCP übermittelt wird. Dieses Kapitel präsentiert auch das neue Secure RTP sowie die Möglichkeiten der Kompression des RTP/UDP/IP-Headers und erläutert die Bedeutung von VoIP-Metriken. Kapitel 6 Die ersten VoIP-Systemlösungen basierten auf dem Standard H.323. H.323 ist ein komplexes Rahmenwerk, das regelt, wie weitere Signalisierungsprotokolle wie H.225.0 und H.245 verwendet werden. Kapitel 6 ist dem VoIP-Konzept nach H.323 gewidmet. Hier werden auch die sog. Supplementary Services nach H.450.x und die Möglichkeiten zur Unterstützung der Mobilität von VoIP- Teilnehmern präsentiert. Vorwort XVII Das Protokoll SIP (Session Initiation Protokoll), das bei VoIP als Signalisie- Kapitel 7 rungsprotokoll dient, gehört bereits heute zu den wichtigsten Internetprotokol- len. Kapitel 7 erläutert, wie SIP konzipiert wurde und zeigt mittels verschiede- ner SIP-Abläufe, wie es eingesetzt werden kann. Hierbei wird auf verschiedene SIP-Funktionen und Leistungsmerkmale von VoIP mit SIP eingegangen und auch wie SIP mit H.323 koexistieren kann. VoIP-Systeme entstehen nicht auf der „grünen Wiese“, sondern müssen mit Kapitel 8 den bereits vorhandenen Systemkomponenten und Netzen für die Sprach- kommunikation integriert werden, damit Sprachkommunikation auch zwischen klassischen Telefonen und IP-Telefonen funktioniert. Hierfür sind verschiedene VoIP-Gateways und Protokolle für die Steuerung dieser Gateways nötig. Auf diese Aspekte geht Kapitel 8 ein. Um VoIP weltweit zwischen beliebigen administrativen Domänen (öffentliche Kapitel 9 Verwaltungen, Unternehmen, …) zu ermöglichen, zeigt Kapitel 9 die Prinzi- pien, nach denen das sog. Telefonie-Routing realisiert werden kann. Hierbei ist das Konzept TRIP von großer Bedeutung. Dieses Kapitel geht auch auf das Peering bei VoIP mit SIP ein. Ein Einsatz von VoIP wird heute in keinem Netzwerkprojekt außer Acht gelas- Kapitel 10 sen. Die Migration zu VoIP in Unternehmen und in anderen Institutionen führt zu einem komplexen Projekt, bei dem mehrere Aspekte berücksichtigt werden müssen. Kapitel 10 widmet sich diesem Thema und erläutert technische Lö- sungen wie z.B. STUN, TURN und ICE, um VoIP mit SIP in Netzwerken mit privaten IP-Adressen nutzen zu können. Um VoIP-Sicherheit zu gewährleisten und VoIP-Netzwerke gegen böswillige Kapitel 11 Angriffe zu schützen, sind bestimmte technische Lösungen und Maßnahmen nötig. Einen fundierten Überblick über die Bedrohungen und Sicherheitsme- chanismen bei VoIP – insbesondere bei VoIP mit SIP – sowie über die Planung der VoIP-Sicherheit vermittelt Kapitel 11. Entstanden ist dieses Buch zum größten Teil auf der Basis von Skripten zu meiner Vorlesung Integrierte Netze, die ich über mehrere Jahre an der Hoch- schule Fulda, Fachbereich Angewandte Informatik, im Studienschwerpunkt Te- lekommunikation gehalten habe. An dieser Stelle möchte ich meinen Dank an alle Personen richten, die mich Danksagung mit ihren Anregungen und Bemerkungen unterstützt haben. Für die sehr gute Zusammenarbeit mit dem Hanser Verlag möchte ich mich bei Frau Margarete Metzger und Frau Irene Weilhart aufrichtig bedanken. Nicht zuletzt möchte ich auch meiner Frau Ingeborg für Ihre Unterstützung während des Schreibens die- ses Buches und meiner Tochter Kati für das fleißige Korrekturlesen danken. Fulda, Oktober 2009 Anatol Badach XVIII Vorwort Der Autor Prof. Dr.-Ing. Anatol Badach arbeitet seit über 30 Jahren auf den Gebieten Informatik und Telekommunikation; Promotion (1975) auf dem Gebiet Datenkommunikation; Habilitation (1983) auf dem Gebiet Rechnernetze. Seit 1985 ist er Professor im Fachbereich Angewandte Infor- matik an der Hochschule Fulda. Zu seinen Schwerpunkten in Lehre und Forschung gehören: Rechnerkommunikation, Netzwerktechnologien und Multiservice Networking. Zur Zeit forscht er im Bereich der Multimedia-Kommunikation über IP-Netze, ins- besondere in der Entwicklung intelligenter und multimedialer TK-Dienste auf der Basis von Web Services. Prof.

Voice over IP - Die Technik Anatol Badach Grundlagen, Protokolle, Anwendungen, Migration, Sicherheit ISBN 3-446-40666-2 Inhaltsverzeichnis Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/3-446-40666-2 sowie im Buchhandel Inhalt 1 Vom einfachen Telefon bis zu Next Generation Networks .................... 1 1.1 Vom Telefon bis zum intelligenten Netz.......................................................... 2 1.1.1 Erfindung des Telefons ........................................................................... 2 1.1.2 Vom analogen Telefonnetz zum ISDN................................................... 4 1.1.3 Vom ISDN zum Intelligenten Netz......................................................... 6 1.2 Ansätze für VoIP .............................................................................................. 8 1.2.1 Internet-Telefonie ................................................................................... 9 1.2.2 Erweiterung von ISDN mit einem IP-Netz ........................................... 11 1.2.3 IP-Netz als Backbone für PSTN/ISDN................................................. 12 1.2.4 Ein lokales Netzwerk als IP-TK-Anlage............................................... 14 1.3 Evolution der Mobilfunknetze........................................................................ 15 1.3.1 Aufbau der Mobilfunknetze nach GSM................................................ 16 1.3.2 Aufbau von GPRS ................................................................................ 18 1.3.3 Konzept von UMTS.............................................................................. 19 Vereinfachte Architektur von UMTS .............................................................. 20 UMTS-Ausbau und IMS ................................................................................. 21 1.4 VoIP und Konvergenz der Netze.................................................................... 22 1.4.1 Von Singleservice-Netzen zum Multiservice-Netz............................... 22 1.4.2 Integration von Internet mit Intelligent Network .................................. 25 PINT................................................................................................................ 25 SPIRITS .......................................................................................................... 27 1.4.3 Trend zu Next Generation Networks .................................................... 28 1.4.4 Konzept von Parlay/OSA...................................................................... 31 1.4.5 Konzept von JAIN ................................................................................ 35 1.5 VoIP-Aktivitäten bei Standardisierungsgremien, Konsortien und Foren ....... 38 1.5.1 IETF und Internet-Standards................................................................. 38 Organisation der IETF..................................................................................... 39 Working Groups mit VoIP-Aktivitäten ........................................................... 40 1.5.2 ITU-T und Telekommunikationsstandards ........................................... 41 VI Inhalt Organisation des ITU-T ................................................................................... 41 VoIP-betreffende SGs beim ITU-T.................................................................. 42 1.5.3 ETSI und VoIP ......................................................................................43 1.5.4 VoIP-betreffende Konsortien und Foren ...............................................43 1.6 Schlussbemerkungen.......................................................................................45 2 Signalisierung in Telefonnetzen und ISDN........................................... 47 2.1 Signalisierung in Telefonnetzen......................................................................48 2.2 ISDN-Konzept ................................................................................................50 2.2.1 ISDN-Schnittstellen ..............................................................................51 2.2.2 Protokollbereiche im ISDN ...................................................................52 2.3 D-Kanal-Protokoll...........................................................................................53 2.3.1 Schicht 3 des D-Kanal-Protokolls .........................................................54 2.3.2 Auf- und Abbau einer ISDN-Verbindung .............................................56 2.4 Signalisierungssystem Nr.7.............................................................................58 2.4.1 Funktionsteile von SS7..........................................................................60 2.4.2 Funktionelle Struktur von SS7 ..............................................................61 2.4.3 SS7-Verlauf beim Auf- und Abbau einer ISDN-Verbindung ...............63 2.5 Schlussbemerkungen.......................................................................................65 3 TCP/IP- und VoIP-Protokolle................................................................ 67 3.1 Protokollfamilie TCP/IP..................................................................................68 3.2 Prinzip der Kommunikation im Internet .........................................................70 3.2.1 Bildung von IP-Paketen.........................................................................71 3.2.2 Prinzip der Kommunikation im Internet................................................72 3.2.3 Interpretation von IP-Adressen .............................................................73 3.2.4 Zweistufige Adressierung......................................................................74 3.2.5 Regeln beim Absenden von IP-Paketen ................................................75 3.3 Internet-Protokoll IP .......................................................................................76 3.4 Protokoll TCP .................................................................................................78 3.4.1 Interpretation einer TCP-Verbindung....................................................79 3.4.2 Auf- und Abbau einer TCP-Verbindung ...............................................80 3.5 Einsatz von DNS.............................................................................................82 Inhalt VII 3.5.1 Aufbau des DNS-Namensraums ........................................................... 83 3.5.2 Prinzip der Namensauflösung ............................................................... 84 3.6 Protokolle für VoIP ........................................................................................ 86 3.7 Bedeutung des Protokolls SCTP..................................................................... 88 3.7.1 SCTP versus UDP und TCP ................................................................. 89 3.7.2 SCTP-Assoziationen............................................................................. 90 3.8 ENUM-Konzept ............................................................................................. 92 3.8.1 Bildung von ENUM-URIs aus E.164-Rufnummern ............................. 94 3.8.2 Bestimmung des NAPTR Resource Records........................................ 95 3.8.3 Nutzung der Internet-Dienste beim ENUM-Einsatz ............................. 96 3.9 Schlussbemerkungen ...................................................................................... 97 4 VoIP und QoS in IP-Netzen.................................................................... 99 4.1 QoS-Anforderungen bei VoIP ...................................................................... 100 4.1.1 Einflussfaktoren auf die VoIP-Qualität............................................... 100 4.1.2 Ende-zu-Ende-Verzögerung ............................................................... 101 4.1.3 Übermittlungszeit über ein IP-Netz .................................................... 105 4.1.4 Jitter-Ausgleichpuffer und Paketverluste............................................ 106 4.2 Verfahren zur Garantie von QoS-Anforderungen......................................... 107 4.3 Priorisierung von MAC-Frames ................................................................... 109 4.4 Differentiated Services ................................................................................. 110 4.4.1 Differenzierung der IP-Pakete ............................................................ 111 4.4.2 DiffServ-Domäne und -Region........................................................... 112 4.5 Queue-Management...................................................................................... 114 4.5.