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.
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 Real-time Transport Protocol (RTP)
4.1.1.1 Die Architektur
4.1.1.2 Der RTP-Header
4.1.2 Das Real-time Transport Control Protocol (RTCP)
4.2 Signalisierungsprotokolle
4.2.1 H.323-SIG
4.2.1.1 H.323-Systemkomponenten
4.2.1.2 H.323-Protokolle und deren Aufgaben
4.2.1.3 Ablauf einer Kommunikation nach H.323-SIG
4.2.2 Session Initiation Protocol (SIP)
4.2.2.1 Hauptaufgaben von SIP
4.2.2.2 SIP-Netzelemente
4.2.2.3 Das SIP-Trapezoid
4.2.2.4 Session Description Protocol (SDP)
4.2.2.5 SIP-Erweiterungen
4.2.2.6 Probleme mit NAT
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
6.4.3.1 Die Konfiguration der SIP-Teilnehmer
6.4.3.2 Die Konfiguration der IAX2-Teilnehmer
6.4.3.3 Der Wählplan
6.4.3.4 Die Konfiguration der Voice-Mailbox
6.4.3.5 Überlegungen in Bezug auf die Mediadaten-Übertragung
6.4.3.6 Länderspezifische Signaltöne
6.5 Die Bewertung der Gesprächsqualität
7 Fazit
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Realisierung einer VoIP-Umgebung auf Basis der Software Asterisk unter dem Betriebssystem GNU/Linux, um zu prüfen, ob VoIP-Telefonie der traditionellen Telefonie hinsichtlich der Sprachqualität ebenbürtig ist. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf der Untersuchung von QoS-Anforderungen und Sicherheitsaspekten.
- Grundlagen der VoIP-Technologie und Protokolle (RTP, SIP, IAX2, H.323)
- Methodik zur Digitalisierung von Sprache und Codec-Auswahl
- Implementierung eines VoIP-Servers zur Sicherstellung der Dienstgüte (QoS)
- Konfiguration einer Nebenstellenanlage (PBX) mit Asterisk
- Evaluation der Gesprächsqualität durch praktische Testszenarien
Auszug aus dem Buch
4.2.3 Inter-Asterisk eXchange Protocol Version 2 (IAX2)
Das IAX-Protokoll wurde von der Asterisk Open Source Community entwickelt und liegt aktuell in der Version 2 vor. Wenn im Folgenden von IAX gesprochen wird, ist von Version 2 die Rede. Obwohl das Hauptaugenmerk bei der Entwicklung bei VoIP lag, kann es trotzdem auch für andere Medienübertragungen wie etwa Streaming Video verwendet werden [20]. Die in Kapitel 5 beschriebene Nebenstellenanlagen-Software Asterisk unterstützt dieses Protokoll. IAX bietet einige Vorteile gegenüber den zuvor besprochenen Protokollen wie SIP oder H.323-SIG [21]:
Geringer Overhead: IAX baut einzig auf UDP auf; durch den Wegfall des RTP-Protokolls verbessert sich somit auch das Verhältnis zwischen dem Overhead und den reinen Nutzdaten.
NAT/Firewall-Tauglichkeit: IAX verwendet für die Übertragung der Signalisierungs- und Sprachdaten einen einzigen UDP-Port (laut RFC 5456 [20] handelt es sich dabei um den „well-known“ Port 4569 auf beiden Seiten der Verbindung). Wird dieser Port an der Firewall freigeschalten, können ankommende IAX-Pakete ungehindert passieren.
Einfacheres Protokoll: IAX-Protolle sind nicht textbasiert, sondern liegen in binärer Form vor. Dadurch entfällt auch ein entsprechendes Parsing und die Anfälligkeit für Buffer Overflows wird minimiert.
Gesprächstransfers: Gespräche können direkt oder über einen zentralen Server geführt werden.
Trunking: Über eine Verbindung können mittels Multiplexing mehrere gleichzeitige Gespräche geführt werden. Durch Voranstellen eines gemeinsamen Headers wird der Overhead noch einmal verringert.
Das IAX-Protokoll verwendet unterschiedliche Frame-Strukturen. Hinsichtlich einer VoIP-Übertragung sind zwei davon hervorzuheben: Full Frames und Mini Frames.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in die Problematik der traditionellen leitungsorientierten Telefonie ein und motiviert den Umstieg auf VoIP, verbunden mit den Herausforderungen hinsichtlich Qualität und Sicherheit.
2 Voice over IP: Dieses Kapitel vergleicht klassische Telefonie mit VoIP und erläutert neben Vor- und Nachteilen grundlegende Anforderungen an ein VoIP-System, insbesondere QoS und Sicherheit.
3 Die Digitalisierung der Sprache: Hier werden die theoretischen Grundlagen der Sprachdigitalisierung, einschließlich Abtastung, Quantisierung und verschiedener Codierungsverfahren (PCM, DPCM, ADPCM), beschrieben.
4 VoIP-relevante Protokolle: Dieser Abschnitt bietet eine detaillierte Analyse der für VoIP essenziellen Protokolle, aufgeteilt in Medientransport (RTP/RTCP) und Signalisierung (H.323, SIP, IAX2).
5 Asterisk: Dieses Kapitel stellt die Software Asterisk als mächtige, flexible Open-Source-Nebenstellenanlage (PBX) für Linux vor und erläutert deren Kernfunktionalitäten und das Wählplan-Konzept.
6 Aufbau und Bewertung einer VoIP-Testumgebung: Der praktische Teil beschreibt detailliert den Aufbau eines Testsystems unter Debian, die Konfiguration der Firewall, die QoS-Realisierung mittels tc sowie die Einrichtung der Nebenstellen in Asterisk.
7 Fazit: Die Arbeit schließt mit einer zusammenfassenden Bewertung von VoIP als Zukunftsmodell und dessen Integration in umfassende Unified-Communications-Konzepte.
Schlüsselwörter
Linux, VoIP, Dienstgüte, QoS, Asterisk, Sprachcodierung, RTP, SIP, IAX2, H.323, Nebenstellenanlage, PBX, Firewall, Paketpriorisierung, Sprachqualität
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Realisierung einer VoIP-Infrastruktur unter dem Betriebssystem Linux und evaluiert, ob diese VoIP-Telefonie bezüglich der Gesprächsqualität der traditionellen Telefonie ebenbürtig ist.
Welche zentralen Themenfelder behandelt das Dokument?
Zentrale Themen sind die VoIP-Protokollfamilien (SIP, IAX2, RTP), die theoretischen Grundlagen der Sprachcodierung, die Konfiguration der Asterisk-Telefonanlage sowie Methoden zur Sicherstellung der Dienstgüte (QoS) mittels Traffic Control unter Linux.
Was ist das primäre Ziel oder die zentrale Forschungsfrage?
Das Ziel ist der Aufbau eines Test-Szenarios, um unter Berücksichtigung von Quality-of-Service-Parametern die Leistungsfähigkeit von Voice over IP in der Praxis zu bewerten.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Die Arbeit basiert auf einem experimentellen Ansatz. Es wird eine heterogene VoIP-Testumgebung mit verschiedenen Clients und Protokollen konfiguriert, deren Verhalten unter unterschiedlichen Bandbreiten- und Priorisierungsbedingungen gemessen und subjektiv bewertet wird.
Was deckt der Hauptteil der Arbeit ab?
Der Hauptteil gliedert sich in theoretische Grundlagen (Protokolle, Digitalisierung) und einen umfassenden Praxisteil, in dem unter anderem die Firewall-Regeln, die Priorisierung mittels QDisc-Hierarchien und die Konfiguration der Asterisk-Dateien (sip.conf, extensions.conf etc.) erläutert werden.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich diese Arbeit charakterisieren?
Wichtige Begriffe sind insbesondere Asterisk, VoIP, Linux, QoS, Signalisierungsprotokolle und Sprachcodierung.
Warum wird für das VoIP-System auf das Betriebssystem GNU/Linux gesetzt?
Linux bietet mit dem Programm "tc" (Traffic Control) sämtliche notwendigen Möglichkeiten, um jede Art der Dienstgüte (QoS) zu realisieren, und stellt das native Betriebssystem für die Open-Source-Software Asterisk dar.
Welche Bedeutung hat das ENUM-Konzept für die Arbeit?
ENUM (E.164 Number Mapping) wird als Lösung für die Adressierungsproblematik thematisiert, um die Erreichbarkeit zwischen VoIP-Netzen und dem klassischen Telefonnetz (PSTN) zu ermöglichen.
Warum schneidet das IAX2-Protokoll in der Arbeit besonders gut ab?
IAX2 ist für die Asterisk-Umgebung optimiert, verwendet nur einen einzigen UDP-Port für Signalisierung und Medien, was die Firewall-Konfiguration vereinfacht, und bietet durch trunking einen geringeren Protokoll-Overhead als SIP.
Was ist das Ergebnis der Untersuchung zur Gesprächsqualität?
Die Tests zeigen, dass bei korrekter QoS-Priorisierung (Markierung der Pakete im TOS-Feld und entsprechende Konfiguration der QDiscs) VoIP-Telefonie eine sehr hohe Qualität erreicht, während ohne Priorisierung bei hoher Netzauslastung die Gesprächsqualität massiv leidet.
- Arbeit zitieren
- BSc Michael Sauer (Autor:in), 2010, Voice over IP unter Linux: Nebenstellenanlage mit Asterisk, München, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/229440
