Voice over IP

Voice over IP

Der klassische Telefondienst wird heute im Fernbereich, Mobilkommunikation sogar generell über digitale Paketvermittlungsnetzwerke abgewickelt. Die Konvergenz von Internet und Telekommunikation ist ein Trend von erheblicher Bedeutung für die gesamte Informatik. Unternehmen mit eigenen Computernetzen und/oder festen Internet-Anschlüssen gehen deshalb dazu über, diese Netzwerke auch zur internen bzw. externen Sprachkommunikation zu nutzen. Das verwendete Protokoll in der Anwendungsschicht heißt "Voice-over-IP" (VoIP). Durch "Internet-Telefon-Gateways" läßt sich das klassische Telefonnetz mit dem IP-Netz verbinden, so daß von Telefon zu Telefon über das Internet telefoniert werden kann.

Bekanntester, aber wenig populärer Ableger ist die Internet-Telefonie. Zwar läßt sich damit billig mit Gesprächspartnern in der ganzen Welt telefonieren, dies müssen lediglich ebenfalls über ein Internet-Telefon oder die entsprechende Software verfügen. Aber da der Datenstrom im Internet unberechenbar ist und es keine Zustellgarantie für Datenpakete gibt, leidet die Sprachqualität. Im eigenen Firmennetz hingegen lassen sich Netzlast, Traffic, Laufzeiten und Verbindungswege kontrollieren. Das ändert zwar nichts daran, daß IP an sich ausschließlich zur Datenübertragung entwickelt wurde. Das IP-Protokoll ist aber wesentlich flexibler, als es ihm viele zutrauen.

Firmen können Ihren gesamten internen Telefonverkehr über ihr Intranet kostenlos abwickeln. Privatanwendern und Firmen erschließen sich Kostenersparnisse bei Telefonaten ins Ausland oder zum Mobilfunknetz. Voice over IP stellt die erste Stufe der Konvergenz von Daten und Sprache dar. Die Sprachintegration auf der flexibleren EDV-Infrastruktur auf der Basis von IP bietet sich an. Die Schritte zur integrierten Telefonie bzw. der vollständigen Vereinigung der Kommunikationsplattformen sind:

Gemeinsame Infrastruktur
In die Telefonapparate werden Netzwerk-Schnittstellen eingebaut. Das Telefon ist somit in die gleichen Services- bzw. Netzumgebung eingebunden wie der PC
Gemeinsames Management
Die Funktionen der Telefonzentrale werden auf einem PC-Server integriert. Die Verbindung ins öffentliche Telefonnetz erfolgt via Router. Die Sprache wird auf dem Firmennetz gegenüber dem Datenverkehr privilegiert.
Gemeinsame Anwendungen
Die Interaktion zwischen Daten und Sprache ist nun möglich: Eine Telefonnummer kann mit einer Produkt- oder Kunden-Nummer oder einer Homepage verknüpft werden etc.
Mehrwertdienste
Die Internet-Telefonie bietet zusätzliche Leistungsmerkmale bei PC-Nutzung z. B. Videoübertragung, Whiteboard oder gemeinsames Bearbeiten von Dokumenten.

Bei geringeren Kosten bietet die integrierte Telefonie bessere Leistung und ist bereits sehr stark auf die kommenden Geschäftsanwendungen ausgerichtet. Die Vorteile sind u. a.:

Mit dem Zusammenlegen der Infrastruktur und dem Management verringern sich nicht nur die Investitionskosten (nur eine Verkabelung, nur ein Kommunikationsanschluss pro Arbeitsplatz), sondern insbesondere auch die Betriebskosten. Der Unterhalt und Betrieb eines einzigen Service für Sprache und Daten auf einer einzigen Kommunikationsinfrastruktur schlägt gegenüber zwei getrennten Systemen positiv zu Buche.
Die lokale Telefonie innerhalb eines Netzwerkes ist gratis. Die Infrastruktur stellt einen lokalen Telefonanbieter dar; es fallen für lokale Gespräche keine Kosten bei einem externen Carrier an.
Die Auslastung des bestehenden Netzwerkes wird optimiert. Die LAN-Architektur bietet grösstmögliche Flexibilität für Anpassungen an die Unternehmensstruktur.

Zu einem kompletten Voice-over-IP-System gehört zunächst einmal eine TK-Anlage auf Softwarebasis. Als Kommunikationszentrale verwaltet sie die Berechtigungen und Profile der Nutzer. Sie stellt Verbindungen her und sorgt für die richtige Zuordnung, ohne daß die eigentliche Kommunikation über sie läuft. Der IP-Gateway ist der Mittler zwischen IP-Telefonie und der bisher genutzten Telefontechnologie wie etwa ISDN. Am Ende der Leitung im VoIP-Netz steht entweder ein IP-Telefon oder ein Computer mit Sound-Karte und IP-Telefonie-Software. Für die Sprachein- und -ausgabe wird ein Headset verwendet. Herkömmliche Telefone lassen sich aber mit einer Adapterkarte ebenso computertauglich anschließen.

Bei Datenpaketen kommt es nicht so sehr darauf an, in welcher Reihenfolge und mit welcher Verzögerung sie übertragen werden. Der Empfänger speichert die eingehenden Pakete und setzt sie wieder in der richtigen Reihenfolge zusammen. Wird ein Paket beschädigt oder geht verloren, wird es erneut gesendet.
Das funktioniert nicht bei zeitsynchronen Daten wie Sprache oder Video. Deshalb wurden im neuen IP-Standard, IPv6, zwei neue Sub-Standards implementiert: das Reservation Protocol (RSVP) und das Realtime Transport Protocol (RTP). RSVP erlaubt zwei Endpunkten einer Verbindung, bestimmte Parameter auszuhandeln, darunter eine maximale Verzögerung (Delay) und einen minimalen Durchsatz. Das IP-Netz garantiert mittels verschiedener Verfahren, daß diese als "Flowspec" bezeichneten Quality of Service (QoS) eingehalten werden.

Am sichersten funktioniert das unter Verwendung des "Guaranteed-Service"-Verfahrens. Hierbei wird anderer Traffic im Netz unterbunden, sobald dieser die Flowspec gefährden könnte. Diesem starren, aber effizienten Verfahren steht "Controlled Load" gegenüber. Hierbei dürfen auch andere Stationen IP-Pakete solange senden, wie eine mittels Flowspec ausgehandelte Verbindung keine Beeinträchtigung in den vorgegebenen Parametern feststellt. "Controlled Load" bietet also mehr Dynamik und lastet das IP-Netz insgesamt besser aus. Ein Vorurteil ist, daß für Voice over IP Anwendungen bestimmte IP-Pakete mit Sprachdaten mittels RSVP priorisiert werden. Das stimmt nicht. RSVP dient nur zum Aushandeln und Überwachen der Verbindungsparameter. IP-Sprachpakete werden zwar in den meisten IP-Netzen von Routern und Switches vorrangig behandelt, allerdings ist diese Priorisierung meist herstellerabhängig und somit proprietär. Das birgt Probleme, wenn Netzkomponenten unterschiedlicher Hersteller im IP-LAN Voice-Daten transportieren soll.

Dem soll RTP entgegenwirken. Jedes IP-Paket erhält seit IPv6 zusätzlich einen Zeitstempel (Time Stamp) mit der Entstehungszeit sowie eine Folgenummer (Sequence Information). Dies erlaubt es dem Empfänger, Pakete nicht nur in richtiger Reihenfolge, sondern auch zeitsynchron zusammenzusetzen. Das Real Time Control Protocol (RTCP) koordiniert zudem Sender- und Empfängerprotokolle und sorgt für Monitoring und Management von Echtzeitverbindungen.
Außerdem definiert RTP die Kodierung von Audiosignalen nach G.711 sowie G.723. Hierbei handelt es sich um Codecs (Coding/Decoding), die von der ITU zur analogen und digitalen Verschlüsselung von Sprache in Telefonnetzen definiert wurden. G.711 entspricht in etwa dem ISDN-Standard, Sprachdaten werden mit einem Datenstrom von 64 kbit pro Sekunde übertragen.

Für Voice over IP kommt G.711 jedoch nicht zum Einsatz, da sich die Datenlast durch zusätzliche Komprimierung und bessere Abtastverfahren auf bis zu 9,6 kbps drücken läßt (dies entspricht dem GSM-Standard). Verbreitet ist vor allem das CELP-Verfahren (Codebook Excited Linear Predictive Coding), das mit einem komplizierten mathematischen Modell der menschlichen Sprache arbeitet. Als Ergebnis entsteht ein Datenstrom von 16 kbit pro Sekunde, der Telefonate in ISDN-Sprachqualität überträgt.
Kombiniert mit Dualrate Speech Coding, definiert im G.723-Standard, genügt sogar ein Datenstrom von nur 5,3 kbps. Außer der geringeren Netzlast bringt dies den Vorteil, daß sich mehr Pakete puffern lassen, ohne die Echtzeitbedingung zu gefährden. Die Qualität der Sprachübertragung im IP-Netz gewinnt also, je kleiner die Datenrate für einen Sprachkanal ist.

Ein weiterer wichtiger Standard für Voice over IP kommt vom Videoconferencing. H.323 umfaßt sowohl eine Codec-Technologie (wie G.723) wie auch die Signalisierung und Verbindungssteuerung für Videokonferenzsysteme. Für IP-Telefonie wurden Teile des H.323-Standards übernommen. Über eine TCP-Verbindung wird zwischen Sender und Empfänger das Signalisierungsprotokoll H.245 ausgehandelt. Dies zeigt eingehende Rufe an und übermittelt Statusinformationen. Die Datenübertragung selbst erfolgt über UDP. TCP-Pakete werden dadurch bei jedem Hop auf Fehler kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert beziehungsweise zurückgewiesen. UDP läßt diese Kontrolle aus, UDP-Pakete erreichen den Empfänger also schneller. Dafür muß der sich selbst um Fehlerkorrektur bemühen. Voice over IP kodiert hierzu entweder im selben Paket oder im Folgepaket Redundanz, aus der sich ein beschädigtes Paket beim Empfänger reparieren läßt, womit ein erneutes Senden defekter IP-Pakete vermieden wird. Zusätzlich erfolgt die Verbindungssteuerung einer Sprachübertragung im IP-Netz gemäß H.323 mit einem Q.931-konformen Signalisierungskanal. Dieser steuert die Sprachverbindung und ist für Funktionen wie etwa Makeln oder Rufnummernübermittlung zuständig.

Um Voice over IP im LAN einzuführen, müssen sämtliche Switches und Router die entsprechenden Protokolle von IPv6 auf dem ISO/OSI-Level 3 unterstützen. Wichtig sind vor allem die Verarbeitung von RTP sowie die Unterstützung von RSVP. Für Konferenzen und Videodaten (die mittels der selben Verfahren wie Sprache übertragen werden), wird außerdem das relativ neue IP-Multicast genutzt. Dabei kopiert eine Netzkomponente einen eingehenden Datenstrom eigenständig und sendet ihn an alle Empfänger weiter. Dies vermeidet zusätzliche Datenkanäle zwischen dem Ursprung der Übertragung und jedem Empfänger. Statt dessen wird der Datenfluß an beliebiger Stelle im Netz dupliziert.

Um den einzelnen Arbeitsplatz dann per LAN mit Telefonfunktionen zu versorgen, fehlt es noch an entsprechenden Endgeräten. Mittlerweile gibt es erste Ethernet-Telefone. Diese werden statt an eine Telefondose an eine RJ-45-Buchse eines Ethernet-Hubs angeschlossen. Alternative hierzu bieten sich CTI oder Wandlerkarten an.