logo itpoint.cz

Signalizační a komunikační protokoly v IP telefonii

Již šestá z připraveného seriálu celkem jedenácti přednášek zaměřených na problematiku teorie a praxe IP telefonie, které zazněly na dvoudenním odborném semináři ve dnech 26. a 27.5. 2004 v pražském hotelu Olšanka. Za účasti předních odborníků kci pořádala ČVUT FEL / Katedra telekomunikační techniky, Sdělovací technika a ProTel engineering s.r.o.. Cílem přednášek je uživatelům se zkušenostmi s klasickou telefonií zprostředkovat informace o technickém řešení i organizačních souvislostech telekomunikací s moderními počítačovými sítěmi a uživatelům s praxí v oblasti výpočetní techniky a počítačových sítí poskytnout přehled o technických i organizačních problémech specifických pro telefonní techniku.

Již šestá z připraveného seriálu celkem jedenácti přednášek zaměřených na problematiku teorie a praxe IP telefonie, které zazněly na dvoudenním odborném semináři ve dnech 26. a 27.5. 2004 v pražském hotelu Olšanka. Za účasti předních odborníků akci pořádala ČVUT FEL / Katedra telekomunikační techniky, Sdělovací technika a společnost ProTel engineering s.r.o. (TZ k této akci naleznete ZDE). Server telefonie.cz měl tu čest být mediálním partnerem této akce. Všech 11 přednášek bude průběžně zveřejněno - vždy 2 x týdně a to v ÚT a PÁ (poslední v ÚT 21.12. 2004) a všechny budou také následně na serveru dlouhodobě přímo dostupné v sekci zpráv "IP telefonie". Cílem přednášek je uživatelům se zkušenostmi s klasickou telefonií zprostředkovat informace o technickém řešení i organizačních souvislostech telekomunikací s moderními počítačovými sítěmi a uživatelům s praxí v oblasti výpočetní techniky a počítačových sítí poskytnout přehled o technických i organizačních problémech specifických pro telefonní techniku.

Celkový přehled všech jedenácti přednášek :






- bude zveřejněno k 7.12. 2004 / ÚT
- bude zveřejněno k 10.12. 2004 / PÁ
- bude zveřejněno k 14.12. 2004 / ÚT
- bude zveřejněno k 17.12. 2004 / PÁ
- bude zveřejněno k 21.12. 2004 / ÚT

Abstrakt : Tato přednáška se zabývá signalizačními a komunikačními protokoly používanými v IP telefonii. Popisuje oba v současné době podporované a používané signalizační protokoly ITU-T H.323 a IETF SIP. Na příkladě ukazuje signalizační postup při sestavení a rušení spojení. Z komunikačních protokolů je uveden protokol RTP s řídícím protokolem RTCP a na příkladě je ukázán princip přenosu dat.

1 Úvod ke signalizačním a komunikačním protokolům v IP telefonii

Účastník A hodlá vyřídit vzkaz účastníkovi B. Signalizačními protokoly nejdříve účastník A kontaktuje účastníka B a vzájemně se identifikují, vymění si informace o způsobu, kvalitě a typu vlastního přenosu uživatelské informace, tedy audia, videa či dat (tzv. mediální tok). Po té prostřednictvím některého z komunikačních protokolů realizují vlastní přenos mediálního toku, tedy vyřízení vzkazu.

Signalizačními protokoly používanými v IP telefonii jsou :

Mezi komunikační protokoly používané v IP telefonii patří :

2 Protokol ITU-T H.323

2.1 Úvod k protokolu ITU-T H.323

Protokolový standard ITU-T H.323, viz [1], zastřešuje multimediální komunikaci v takových sítích, které nenabízejí žádnou garanci kvality služeb (QoS - Quality of Service), jako je např. síť Internet, typicky všechny sítě založené na protokolu IP. Protokol ITU-T H.323 přitom pokrývá nejen celkovou architekturu, definuje komponenty, ale specifikuje i použití protokolů nižších vrstev. Zabývá se poskytováním audio, video a datových služeb, přičemž povinné jsou pouze služby audio. Lze jej nasadit v jednoduchých segmentech sítí LAN, nebo i ve značně složitých soustavách vzájemně propojených sítích a podporuje i skupinový způsob přenosu (současné vysílání od jednoho zdroje k více příjemcům). Není vázán na žádnou systémovou platformu, a může tedy být nasazen skutečně kdekoli - nejen v klasických počítačových, ale také v různých zařízeních typu IP telefonů apod. Hlavním úkolem tohoto standardu je samozřejmě zajistit vzájemnou kompatibilitu systémů, které nabízejí multimediální přenosy (hlasu, volitelně i obrazu a dat). Je přitom poměrně pružný v tom smyslu, že umožňuje vzájemnou součinnost i mezi takovými systémy, které nemají stejné schopnosti a protokolově vyzrálý, autorsky velmi pečlivě vytvořen a otestován.

Audio Video H.225 H.245 Q.931
RTP / RTCP
UDP TCP
IP

Obr. 1: Protokolová architektura dle ITU-T H.323

Náhled na protokolovou architekturu dle ITU-T H.323 poskytuje obr. 1. Standard H.323 je zastřešující standard, který se odkazuje na celou řadu dílčích standardů pocházejících z dílen ITU-T (Mezinárodní telekomunikační unie). Nejdůležitějšími dílčími standardy k ITU-T H.323 jsou :

2.2 Architektura a komponenty dle ITU-T H.323

Celkovou možnou architekturu sítě podle standardu H.323 mohou tvořit směrovačem vzájemně propojené sítě LAN a Internet, které negarantují kvalitu přenosu (označeno no QoS), viz obr. 2. V tomto prostředí mohou audio/video terminály (H.323-T) komunikovat přímo nebo prostřednictvím pomocných uzlů (GK, MCU). Protokol ITU-T H.323 umožňuje komunikaci i s jinými typy audio/video terminálů sítí prostřednictvím externí brány (H.323-GW) s garantovanou kvalitou služby (QoS).

 Architektura sítě podle ITU-T H.323
Obr. 2 : Architektura sítě podle ITU-T H.323

Standard H.323 patří do rodiny standardů H.32x, které se zabývají multimediálními přenosy v sítích ISDN (H.320), ATM (H.321), v sítích LAN s garantovanou kvalitou služeb (H.322) a v telefonních sítích s negarantovanou kvalitou služeb (H.324).

Jednotlivé komponenty sítě dle standardu H.323 jsou, viz obr. 2 :

Terminál

Terminál je koncový bod, který umožňuje obousměrnou multimediální komunikaci v reálném čase. Všechny terminály musí podporovat audio komunikaci. Video a datové přenosy jsou nepovinné. K audio zařízením se řadí různé mikrofonní systémy a telefonní zařízení produkující akusticky modulovaný signál. Ten se transformuje ve standardním kodeku G.711 (povinný).

 H.323 terminál
Obr. 3 : H.323 terminál

Terminál bývá implementován počítačem PC vybaveným audio/video zařízením (např. zvukovou kartou, kamerou), nebo přímo IP telefonem.

Brána (Gateway - GW)

Brána zabezpečuje přenos audio/video provozu mezi různými systémy s odlišným protokolovým vybavením, například audio/video terminály sítí garantující kvalitu spojení dle standardů H.320, H.321, H.322, H.324 a H.323.

Brány poskytují následující konverzní funkce mezi dvěmi sítěmi :

Brána může volitelně obsahovat jednotku MCU

Správce zóny (Gatekeeper - GK)

GK provádí řídící funkce spojení a působí jako administrátor pro zaregistrované terminály. Správci zóny v sítích nejsou nutní, ale pokud jsou použiti, koncové body musí používat jejich služby. Nejčastěji je GK realizován softwarem. GK může být integrován do kterékoli komponenty H.323.

Povinné služby definované doporučením H.323 :

Nepovinné služby definované doporučením H.323 :

Jednotka pro řízení konferenčního spojení (Multipoint Control Unit - MCU)

Jednotka MCU umožňuje konferenci mezi třemi a více terminály a zároveň určuje přenosové vlastnosti konference (např. volba kodeku). Umožňuje převádět decentralizované konferenční spojení (data jsou určena skupině stanic) na spojení centralizované (data jsou určena právě jedné cílové stanici) a obráceně, viz obr. 4.

Jednotka MCU se skládá z modulů MP a MC :


Obr. 4: Decentralizovaná a centralizovaná konference

2.3 Příklad signalizace dle ITU-T H.323

Příklad signalizačního postupu při sestavení a rozpadu spojení dle protokolu standardu H.323 a jeho dílčích částí znázorňuje obr. 5.

 Signalizační postup při sestavení a rozpadu spojení dle ITU-T H.323
Obr. 5 : Signalizační postup při sestavení a rozpadu spojení dle ITU-T H.323

2.4 Vývoj standardu H.323

První verze tohoto standardu byla schválena v roce 1996 Studijní skupinou č. 16 v rámci ITU-T pod názvem "Visual telephone systems and equipment for local area networks which provide a non-quaranteed quality of service". V lednu 1998 pak byla přijata již druhá verze tohoto standardu, s poněkud zjednodušeným a zpřesněným názvem "Packet-based multimedia communication systems". Tato změna názvů napovídá, že standard H.323 původně vznikl odděleně od snah telefonie po Internetu, ale teprve později byl dopracován pro potřeby IP telefonie. Používá se však i pro potřeby vedení videokonferencí po počítačových sítích. Další verze, v pořadí již třetí byla schválena 30. září roku 1999 a přináší určitá vylepšení oproti druhé verzi. V současné době je aktuální jeho pátá verze ze srpna roku 2003.

H.323 - verze 1

Standard H.323v1 rozeznává čtyři hlavní části komunikačních systémů fungujících v síťovém prostředí :

H.323 - verze 2

V první verzi standardu H.323 se příliš neuvažovalo o potřebách internetové telefonie, ale spíše o obecnějších potřebách videokonferencí v prostředí počítačových sítí. Později, když se internetová telefonie stala aktuální, bylo potřeba některé věci dopracovat. Konkrétně šlo o otázky zabezpečení, zrychleného navazování spojení či větší integraci s datovými službami. V otázce zabezpečení šlo například o autentifikaci volajících, utajení hovoru atd. Dalším problémem bylo zrychlené navazování spojení. V původní verzi se nejprve navázalo spojení mezi terminály a pak teprve se dohadovaly parametry multimediálního přenosu; ve verzi 2 se obojí děje paralelně. Dále verze 2 přináší rozšíření o přenosy faxu, kódování videa, konferenční spojení využívající všesměrového (broadcastového) adresování a doplňkové služby jako identifikace volajícího, přesměrování volání.

H.323 - verze 3

Verze 3 byla přijata v září 1999 a přinesla několik důležitých vylepšení do hlavního doporučení. Většina změn se týkala doplňkových služeb (parkování hovoru, čekající volání, čekající zprávy), rozšíření o potřeby správy a dohledu a spolupráce mezi GK a mechanismy rychlého sestavování spojení v paketových sítích.

H.323 - verze 4

Verze 4 přinesla mnoho vylepšení, týkající se zejména spolehlivosti, rozšiřitelnosti, pružnosti a dalšího rozšíření doplňkových služeb. Zavádí do H.323 konceptu rysy použité v protokolu HTTP (řízení, URL) Tato verze byla přijata v listopadu 2000.

H.323 - verze 5
Verze 5 z května 2003 přináší změnu v sestavení, dohledu a rozpadu spojení dle H.225.0, vylepšenou spolupráci s GK (úprava časování) a obecné přihlašovací mechanismy.

3 Protokol SIP

3.1 Úvod do protokolu SIP

Protokol SIP (Session Initiation Protocol) [7] byl vytvořen pracovní skupinou MMUSIC v rámci organizace IETF (Internet Engineering Task Force). Je signalizačním protokolem pro sestavení, dohled a rozpad spojení mezi dvěma a více účastníky komunikace. Na rozdíl od protokolu dle standardu H.323 je SIP textově orientovaný, svojí strukturou podobný protokolu HTTP, používanému službou WWW.

Audio Video SIP
RTP / RTCP
UDP
IP

Obr. 6 : Protokolová architektura dle IETF SIP

Protokol SIP nespecifikuje jaký má být použit transportní protokol a není svázán s žádnými konkrétními komunikačními protokoly pro vlastní přenos multimediálních dat., viz obr. 6 - v hranatých závorkách jsou označeny obvykle používané protokoly RTP, RTCP, UDP a IP. Uvnitř signalizační zprávy protokolu SIP je proto zapouzdřena zpráva jiného protokolu, který specifikuje použitá kódování pro multimediální data, jejich parametry a čísla portů, na kterých mají být data vysílána nebo přijímána. Obvykle se pro tento účel používá protokol SDP (Session Description Protocol) [7], který je rovněž textový.

3.2 Architektura a komponenty sítě SIP

Celkovou možnou architekturu sítě podle IETF SIP mohou tvořit směrovači vzájemně propojené sítě, viz obr. 7. V tomto prostředí mohou audio/video terminály (SIP terminál) komunikovat přímo nebo prostřednictvím pomocných uzlů (zástupný server, server přesměrování).

 Architektura sítě dle IETF SIP
Obr. 7 : Architektura sítě dle IETF SIP

Protokol SIP obsahuje následující komponenty dle architektury zobrazené na obr. 7 :

Jakkoliv jsou SIP servery definovány odděleně, v praxi se často jedná o jednu aplikaci, která přijímá registrace koncových uzlů a podle konfigurace se chová zároveň buď jako zástupný (proxy) nebo server přesměrování (redirect).

Klienti a servery si posílají požadavky pomocí takzvaných metod. Jedná se o zprávy v textovém formátu; šesti základními metodami jsou :

Další metody jsou předmětem samostatných RFC nebo draftů.

Odpovědi na SIP metody jsou zprávy uvedené číselným kódem. Systém kódů je převzat z HTTP protokolu. Číselné kódy odpovědí jsou členěny do šesti skupin :

3.3 Příklad signalizace dle IETF SIP

Příklad signalizačního postupu při registraci, sestavení a rozpadu spojení dle protokolu IETF SIP je znázorněn na obr. 8.

3.4 Vývoj IETF SIP

Historický vývoj signalizačního postupu SIP lze shrnout do následujících bodů :

 Signalizační postup při sestavení a rozpadu spojení dle IETF SIP
Obr. 8 : Signalizační postup při sestavení a rozpadu spojení dle IETF SIP

4 Střet světů dle ITU-T H.323 a IETF SIP

Zařízení pracující s protokolem SIP mohou komunikovat se zařízeními pracujícími s protokolem H.323 pomocí brány SIP/H.323. Tato brána převádí signalizační zprávy obou protokolů. Protože pro vlastní přenos multimediálních dat používají zařízení typu H.323 i SIP obvykle protokol RTP, mohou po navázání spojení prostřednictvím brány dále komunikovat přímo. Obdobně mohou zařízení pracující s protokolem SIP komunikovat s telefony v telefonní síti (PSTN - Public Switched Telephone Network) pomocí brány SIP/PSTN. Porovnání signalizace pro sestavení spojení mezi H.323 terminálem a SIP terminálem prostřednictvím brány H.323/SIP ukazuje obr. 9.

 Spojení z H.323 terminálu na SIP terminál
Obr. 9 : Spojení z H.323 terminálu na SIP terminál

Následující tabulka tab. 1 porovnává parametry výše zmíněných signalizačních postupů.

H.323 SIP
Standard, protokol Uzavřený, složitý Otevřený, jednoduchý
Organizace ITU-T IETF
Adresace Vytvořený pro LAN - zaměřený na lokální provoz Řešení adresace pro mezinárodní provoz
Typ zpráv Binární, založené na ASN.1 Textová typ žádost - odpověď
Používané protokoly H.245, H.225 (Q.931, RAS) SDP
Používané servery Správce zóny (Gatekeeper) Registrační server (Registrar Server)Zástupný server (Proxy Server)Přesměrovací server (Redirect Server)Server umístění (Location Server)
Transportní protokol RTP s řídícím protokolem RTCP RTP s řídícím protokolem RTCP
Zabezpečení Nese odpovědnost za spolehlivost přenosu - zbytečná režie Přenechává zabezpečení přenosu paketů nižším přenosovým vrstvám
Rozšíření protokolu Rozšíření jsou závislá na specifikaci výrobce - nestandardní rozšíření Povoluje rozšíření základu protokolu pro speciální funkce

5 Protokoly RTP/RTCP

RTP (Real Time Protocol) je protokol sloužící pro přenos dat v reálném čase (RFC 1889) [7]. Obvykle se používá pro přenos audio a video provozu mezi koncovými procesy VoIP terminálů. Protokol sám o sobě nezaručuje přenos dat v reálném čase, disponuje jen procedurami, které umožňují rekonstrukci těchto vlastností na straně přijímacího procesu.

V záhlaví protokolu jsou přenášeny informace o typu přenášených dat, způsobu kódování, zdroji synchronizace, jakož i sekvenční číslo paketu a časová značka pro obnovu synchronizace a real-time vlastností. Přijímací proces prostřednictvím sekvenčních čísel paketů zabezpečuje interpretaci dat z paketů RTP ve správném pořadí. Podle definovaného prostředku synchronizace umožní časová značka v každém paketu načtení dat z paketů v odpovídajících časových intervalech.

 Příklad použití protokolu RTP při audio přenosu
Obr. 10 : Příklad použití protokolu RTP při audio přenosu

Příklad činnosti protokolu RTP naznačuje obr. 10, na kterém je symbolicky vysvětlen přenos audio dat. Hlasový tok je transformován kodekem dle ITU-T G.711 do PCM vzorků s opakovací frekvencí 8000 Hz (v záhlaví RTP paketu to označuje pole PT - payload type). Vzorky jsou přenášeny ve dvou RTP paketech. Časovou značkou je v tomto případě pořadové číslo prvního vzorku PCM v paketu RTP (SN - sequence number). V datové části se přitom prázdné vzorky PCM nepřenášejí, čímž se šetří šířka pásma sítě. Prostřednictvím časových značek (TS - time stamp) přijímač zabezpečuje synchronní načtení dat v přijímacím zařízení a doplnění prázdných vzorků.

Protokol RTP definuje i mezilehlé zařízení (tzv. RTP mixéry), umožňující multiplexování kanálů RTP a obnovování časových vlastností signálu mimo koncové body sítě.

RTCP (Real Time Control Protocol)

RTCP je řídící protokol spolupracující s protokolem RTP, používající periodické vysílání paketů od každého účastníka relace RTP všem ostatním účastníkům za účelem řízení výkonnosti a pro diagnostické účely. RTCP vykonává následující služby :

Samotný přenos mediálními toky

Mediální toky jsou během VoIP spojení řízeny pomocí RTCP. Jedná se o řídící protokol spolupracující s protokolem RTP, který se používá za účelem řízení výkonnosti a pro diagnostické účely. RTCP používá pro každý RTP mediální tok vyhrazený logický kanál.

Příklad přenosu mediálními toky RTP s jejich řídícími zprávami RTCP mezi dvěma komunikujícími uživateli znázorňuje obr. 11 :

 Příklad přenosu mediálních toků pomocí RTP/RTCP
Obr. 11 : Příklad přenosu mediálních toků pomocí RTP/RTCP

Ing. Pavel Bezpalec
ČVUT FEL, Katedra telekomunikační techniky
bezpalec@fel.cvut.cz

ZDE naleznete přehled firem na itpoint.cz, které se zabývají nabídkou služeb IP telefonie

telefonie.cz

Článek ze dne 3. prosince 2004 - pátek

Zbrusu nová vzdálená správa pro Linux