# Voice over IP - VoIP

David Albrech, Luis Carlos Lima Ferreira

## 1. Überblick

Der Ton wird zunächst durch einen Encoder verarbeitet. Dies bedeutet eine Analog- zu Digitalumsetzung, sowie eine darauffolgende Kompression. Danach wird es paketiert und über das IP-Netz übertragen. Wenn es am Zielgerät ankommt, läuft das Signal durch einen De-Jitter-Puffer, der dafür sorgen soll, dass es nicht zu jittering kommt. Zu guter Letzt wird es wieder dekodiert und durch einen Digital-Audio Converter wieder in Sound umgewandelt.

In der untenstehenden Abbildung ist dargestellt, wie sich die einzelnen Schritte auf die Latenz auswirken.


> Abbildung S.446

Vor der Sprachübertragung erfolgt eine Auswertung der Rufkennung (IP-Adresse oder Rufnummer), sowie der Austausch des Codierverfahrens und Informationen über die erforderliche Bandbreite.

Etablierte, herstellerspezifische Protokolle sind H.323 & SIP. Diese sind nicht untereinander Kompatibel.

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## 2. Anwendungen von VoIP

### 2.1. VoIP im NGN

Bei Benutzung im NGN werden international standardisierte Protokolle wie beispielsweise SIP (Session Initiation Protocoll) genutzt. Zudem gibt es optimierte Anpassungen an NGN, ggfs. mit einer QoS-Implementierung. Es handelt sich hier um eine geschlossene Netzstruktur, wodurch eine autonome Konfiguration durch Anbieter ermöglicht wird. Dies führt zu einer verbesserten Sprachqualität via "HD-Voice" oder Codec G.722.

### 2.2. Direkte IP-Telefonie
Auch bei der direkten Internettelefonie werden international standardisierte Protokolle verwendet, wie beispielsweise H.323 und SIP. Die Übertragung erfolgt mittels bestehender Internetstrukturen. Dies kann dazu führen, dass Sprachqualität und Zuverlässigkeit schwanken kann. Die Verantwortung liegt hier bei den Betreibern.
Der Vorteil ist jedoch, dass Endgeräte unterschiedlicher Hersteller untereinander kommunikationsfähig sind.

### 2.3. Messenger-Dienste
Messenger-Dienste verwenden meist nicht-standardisierte Protokolle wie zum Beispiel Skype und Facetime. Genau wie bei der direkten Internettelefonie verwenden sie bestehende Internetstrukturen, was zu den gleichen Problemen führen kann. Zudem ist eine Kommunikation in den meisten Fällen nur möglich, wenn beide Partner das gleiche Protokoll verwenden.
Auf der anderen Seite ermöglichen die meisten Messenger-Dienste multimediale Kommunikation, wie beispielsweise Videochat und sie stehen meist kostenlos zur Verfügung. Nur Zusatzangebote wie beispielsweise Videokonferenzen ab einer bestimmten Größe oder Qualität sind oft kostenpflichtig.


> Abbildung S.449

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## 3. Endgeräte
Zur Verwendung mit VoIP stehen den Nutzern generell drei Gruppen von Endgeräten zur Verfügung.
Die erste Gruppe sind sogenannte Softphones. Dies beinhaltet PCs, Laptops, Tablets und Smartphones. Die zweite Gruppe sind reguläre Analog- oder DECT Telefone, welche über einen Adapter, wie beispielsweise ein IAD, angeschlossen werden. Die dritte Gruppe sind dedizierte VoIP-Telefone, welche direkt über LAN oder WLAN angeschlossen werden.


> Abbildung S.447

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## 4. Funktionalität mit SIP

IP-Telefonie funktioniert grundsätzlich ortsunabhängig. Das bedeutet geografische, feste Anschlüsse wie im Festnetz gibt es nicht mehr. Die Erreichbarkeit eines gewünschten Gesprächsteilnehmers muss somit durch eine vorangehende Authentifizierung und einer damit verbundenen Information über seinen momentanen Aufenthaltsort in Erfahrung gebracht werden.
Deswegen erhält jedes VoIP-Endgerät bei seiner erster Anmeldung am Registrierungs-Server eines entsprechenden Dienstanbeter eine SIP-Adresse im URI-Format (Uniform-Resource-Idenifier), beispielsweise: sip:[e-mail].
Diese ist im Gegensatz zu eine NGN-Rufnummer nicht an einen festen Anschluss gebunden, sondern prinzipiell von jedem Internetanschluss aus nutzbar.
Nach dem Einschalten baut das Endgerät automatisch eine Verbindung mit dem Registrierungsserver auf und meldet sich mit seiner SIP-Adresse an. Nach der Anmeldung ist dem Server dann die momentane IP-Adresse des Endgerätes bekannt.

Nach Aufbau der Verbindung schickt das Endgerät eines potenziellen Anrufers zunächst eine Ruf-Nachricht mit der SIP-Adresse des gewünschten Teilnehmers an einen Server, der dem DNS unter dem entsprechenden Domainnamen bekannt ist. Da IP-Adresse des angerufenen Teilnehmers dem Anrufer nicht bekannt ist, kann nur dieser Server den Verbindungswunsch weiterleiten. Sofern die Nachricht vom Endgerät empfangen und verarbeitet werden kann, schickt es eine Bestätigungsnachricht an den Server zurück, welcher dann den Anrufer weiterleitet.
Direkte Kommunikation hat bis hier noch nicht stattgefunden. Für das eigentliche Telefongespräch ist der Server nicht notwendig. Die Endgeräte schicken ihre Daten dann direkt an die entsprechende IP-Adresse, in Form von IP-Datenpaketen.

Sprachdaten werden via UDP, unter Einbeziehung von RTP (Realtime Transport Protocoll) und RTCP (Realtime Transport Control Protocoll) übertragen. SIP kann neben UDP aber auch TCP als Transportmedium zu nutzen.
Der Bandbreitenbedarf einer VoIP-Verbindung beträgt bei Verwendung eines G.711-Codecs, ohne Berücksichtigung der Signalisierung, ca. 100 bis 150 kbit/s. Die kann zu einem Engpass bei langsameren DSL-Anschlüssen führen, da möglicherweise die real zur Verfügung stehende Upstream-Datenrate zu gering ausfällt.

SIP-Terminals können generell nicht mit H.323-Endgeräten kommunizieren. Es kann aber sofern ein spezielles Gateway dazwischengeschaltet werden, welches Befehle von SIP in H.323 und umgekehrt umsetzt.

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## 5. Abschließendes

Unabhängig vom verwendeten Protokoll besteht bei IP-Telefonie ein Sicherheitsproblem, da es ohne großen Aufwand möglich ist, sich in eine Multimediakommunikation einzuschalten. Ohne Schutzmaßnahmen ist ein Abhörschutz nicht gegeben.
Neben einer Reihe herstellerspezifischer Verfahren bietet der Einsatz von IPsec eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung, die unabhängig von der gewählten VoIP-Applikation ist.

Damit Teilnehmer bei der IP-basierten Kommunikation weiterhin ihre bekannten E.164-Rufnummern (NGN-Rufnummern) verwenden können, wird für deren IP-Adressierung ENUM (E.164 Telephone Number Mapping) eingesetzt. In der Spezifikation RFC 3761 zu ENUM wird das Verfahren zur Umwandlung ven Telefonnummern zu einer IP-Adresse beschrieben. Dies funktioniert wie folgt:

Beispiel Telefonnummer: [phone]

Entfernung aller nicht numerischen Zeichen: 4921474757
Einsetzen von Punkten zwischen den Ziffern: 4.9.2.1.4.7.4.7.5.7
Umkehren der Reihenfolge: 7.5.7.4.7.4.1.2.9.4
Anfügen der Zeichenfolge "e164.arpa": 7.5.7.4.7.4.1.2.9.4.e164.arpa

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## 6. Begriffserklärung

- *H.323:* Dieses Protokoll wurde von ITU-T entwickelt und beinhaltet die technische Voraussetzungen für eine multimediale Kommunikation über Netzwerke, die keinen QoS zu Verfügung stellen.

- *SIP:* Das Session Initiation Protocoll (SIP) wurde von der IETF entwickelt und arbeitet auf der Anwendungsebene (OSI 5-7).

- *Terminal:* Ein Terminal ist der "Multimediale Endpunkt" einer Kommunikationsverbindung (z.B. IP-Telefon, Softphone), unterstützt erforderliche Audio- bzw. Videocodecs sowie Signalisierung, gemäß H.323 muss ein Terminal mindestens die Sprachübertragung unterstützen.

- *Gateway:* Ein Verbindungselement zwischen unterschiedlichen Netzen (z.B. Internet, NGN oder privaten Netzen). Ein Gateway verhält sich wie ein Terminal. Seine Aufgabe sind die Übersetzungs- und Anpass-Funktionen (Transcodierung) für Sprache und Video sowie die Signalisierung.

- *MGCP:* Das Media Gateway Control Protocol kann Verbindungen zwischen beiden Netzen auf- und abbauen.

- *Gatekeeper/SIP-Proxy:* Dieser ist eine optionale Komponente, da innerhalb eines LANs direkte Verbindungen von Terminal zu Terminal möglich sind (Direct Routed Call). Er erfüllt folgende Aufgaben:
- Terminal-Registrierung
- Steuerung von Verbindungsauf- und -abbau zwischen registrierten Terminals
- Steuerung des Bandbreitenmanagements
- Aushandlung von Leitungsmerkmalen (vergleichbar mit den Dienstmerkmalen in NGN)
- Adressumsetzung: Umsetzung von Alias-Namen nach IP-Adressen und/ oder E.164-Adressen (ENU;: Electronic Numbering. RFC 2916: globale Nummerierung in Telekommunikationsnetzen), z.B. 10.121.12.99/16 nach 0241/12345678

- *MCU:* Die Multipoint Control Unit ist bei Sprach- und Videokonferenzen mit mehr als 2 Terminals nötig. Es besteht aus dem Multipoint Controller (MC) und dem Multipoint Processor (MP).

- *MC:* Der Multipoint Controller ist für das Aushandeln der Terminaleigenschaften sowie der Steuerung der Konferenz zuständig.

- *MP:* Der Multipoint Processor ist für das Mixen, Switchen und die Verarbeitung von Sprache, Daten und Video zuständig.

- *Jitter:* Eine Varianz in der Laufzeit von Datenpaketen in der Netzwerktechnik.

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## Quellen

- Basiswissen IT-Berufe - Vernetzte IT-Systeme
- 7. Auflage
- ISBN: 978-3-427-11160-3