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Corso TECNICO DI RETE
MODULO 1 –dimensionamento architettura di rete
Docente: ing.Andrea [email protected]
1ANDREA SARNERI - CORSO CESCOT 2010
Lezione 12 – Voip
•La digitalizzazione del segnale vocale•I protocolli di riferimento: SIP, RTP•Architettura dei sistemi Voip•Gateway Voip , centralini Voip•Client VoiP
2ANDREA SARNERI - CORSO CESCOT 2010
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Il Sistema Telefonico: la commutazione di circuito
Inizialmente la creazione di circuiti tra coppie di utenti era demandata all’ operatore manuale, successivamente si sono realizzate tecniche di commutazione automatica.
Lo “switch” è il dispositivo di centrale che crea le varie connessioni
Le caratteristiche della rete telefonica commutata:
• Ciascuna conversazione tra due utenti impegna un circuito, anche se gli utenti “tacciono”
• Il circuito è riservato alla conversazione, e non disponibile ad altri
• Per attivare il circuito è necessaria una fase iniziale di ricerca del circuito libero e di instradamento
• Il costo è legato al tempo di utilizzo del circuito
• La tecnologia digitale non cambia questo modello ma eventualmente da’ la possibilità di avere servizi aggiuntivi utilizzando la rete di segnalazione CAS o CCS
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La commutazione di circuito
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Digitalizzazione del segnale vocale
Il Campionamento è la tecnica che consente di convertire un segnale analogico in un segnale numerico PCM (Pulse Coded Modulation): Dalla forma d’onda originale vengono prelevati dei campioni a intervalli regolari
tN+1 N+2 N+3 N+4 N+5 N+6 N+7 N+8
Codifica:si ottiene quindi una sequenza di bit/byte che rappresenta il segnale analogico a meno di errori di arrotondamento
SamplerQuantizer
Coder
SamplerQuantizerdecoder
0001010110000110…….
LOW PASS FILTER
LOW PASS FILTER
Il dispositivo che realizza questa funzione si chiama CODEC. Il blocco fondamentale è il convertitore analogico/digitale
Digitalizzazione del segnale vocale
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Il segnale telefonico è costituito da :•Segnale vocale relativo alla conversazione•Toni di segnalazione in banda e fuori banda
Il flusso digitale derivato da un segnale telefonico ha una banda convenzionale che va da 0 a 4000Hertz. Per il teorema di Shannon è necessaria una frequenza di campionamento di almeno 8000 Hz, ovvero la sequenza di campionamento deve generare un campione ogni 1/8000=125uS. Ciascun campione va poi quantizzato e codificato. Se si usano 8bit il flusso complessivo sarà di :
8000*8=64000 bit al secondo
Digitalizzazione del segnale vocale
Il processo di campionamento e quantizzazione viene implementato nei Codecs, i quali tramite algoritmi opportuni determinano la qualità del segnale audio in funzione del bit rate del flusso dati relativo.I Codecs per canali vocali sono standardizzati dalla ITU:
G.711 A-law: produce un flusso non compresso a 64kbit/sec (parole di 8 bit) , in cui la griglia di ampiezza è logaritmica (A-Law) migliorando il range dinamico del segnale. Questo codec è alla base della realizzazione di flussi E1 a 2Mbit/s
G.722 : produce un flusso compresso di 64/56/48kbit/s utilizzando la tecnica ADPCM (Adaptive Differential PCM)
Codecs e riduzione di ridondanza
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• Nelle reti PSTN analogiche il ritardo era dovuto principalmente alla velocità di propagazione del segnale elettrico
• Nelle reti numeriche a questo si aggiunge il ritardo di elaborazione dei CODEC e degli switch di rete, e delle code /buffer per la gestione della congestione
CIS - Incontro 1 9
Qualità della conversazione: Delay e Jitter
• Esempio di calcolo di budget di ritardo in un collegamento VoIP
Dnw = backbone network delay, limitato a 29 ms per soddisfare il requisito di 150ms totali.
CIS - Incontro 1 10
Qualità della conversazione: Delay e Jitter
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Vantaggi della rete a pacchetto
•I pacchetti risultanti da campionamento vocale sono “identici” agli altri pacchetti dati (files, email, video, ecc..), per cui l’infrastruttura di rete può essere condivisa integrazione voce/dati/servizi•Durante le pause della conversazione, è possibile non trasmettere alcun pacchetto, risparmiando preziose risorse di banda per altre conversazioni:
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“difetti” delle reti a pacchetto
• Ritardo: come nelle reti a commutazione di circuito il ritardo è dovuto alla propagazione, ai Codecs, e alle code di gestione/risincronizzazione dei flussi nei routers e switch
•Jitter: nelle reti a pacchetto il problema può aggravarsi per via dei diversi percorsi che i pacchetti subiscono prima di essere riassemblati nella giusta sequenza, e degli accumuli che possono verificarsi nei buffers che potrebbero ospitare anche pacchetti non-voce.
•Perdita di pacchetti: come caso limite si potrebbe anche giungere alla perdita dei pacchetti per saturazione e mancato smaltimento del buffer o anche per errato routing.
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Protocollo IP e “best –effort”
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•Il livello di rete (protocollo IP) è basato su comunicazioni best-effort(cerca comunque di raggiungere il destinatario), ma l'affidabilità della consegna è affidata a protocolli di livello più alto, e demandata agli host end-to-end (i dispositivi che si trovano ai due capi della comunicazione) e non più ai dispositivi di rete intermedi.
•Ad esempio, il protocollo TCP fornisce un servizio affidabile , verificando che tutte le informazioni trasmesse siano ricevute correttamente ed integralmente dal destinatario con un meccanismo “sliding window”, ma a prescindere dal ritardo che questo comporta.
•I servizi “delay-sensitive” al contrario hanno esigenze diverse, essendo meno importante la eventuale perdita di qualche pacchetto. Per questi servizi si preferisce il protocollo UDP, eventualmente integrato da ulteriori protocolli a livello superiore (ad es. RDP)
Protocollo IP e “best –effort”
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I meccanismi “best-effort” si basano su algoritmi e protocolli di routing più o meno efficienti che non entrano nello specifico contenuto del payload:
• protocolli distance-vector : ogni router mantiene l’informazione di distanza/costo verso le destinazioni note, e la divulga ai vicini. Ciascun router è quindi in grado di determinare il percorso minore (es. RIP,IGRP)
•Protocolli link-state: ogni router identifica i routers direttamente collegati e memorizza la struttura completa della rete in un proprio database, il database viene aggiornato dai messaggi LSP generati dai router stessi (es. OSPF), infine viene calcolato il percorso migliore.
Per gestire un sistema di telefonia su IP e’ critico garantire la QoS (Qualityof Service) solo con gli strumenti messi a disposizione del livello di rete (layer 3), ovvero “best-effort”, soprattutto quando i livelli sottostanti attraversano più mezzi disomogenei
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I protocolli VoIP
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Modelli per una gestione della QoS
Per affrontare il problema di una QoS end-to-end bisogna definire strategie e strumenti per i vari nodi della rete:
Nodi Edge : sono i nodi periferici che gestiscono il traffico in entrata alla rete. In questi nodi è possibile classificare, marcare, condizionare e modellare il flusso
EdgeEdge:Rete 2
Rete 3Rete 1
CoreCore:Nodi Core: sono i nodi intermedi che ricevono il traffico e gestiscono la congestione delle varie code
Le strategie core e edgeagiscono al livello IP
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Si possono individuare anche strategie che coinvolgono i livelli superiori a IP, in questo caso si parla più in generale di architetture di rete orientate alla QoS perché serve un vero e proprio coordinamento dei vari elementi in tutti i segmenti:
•Integrated Service (IntServ): in questa strategia l’applicazione cerca di riservare le risorse necessarie su tutto il percorso di rete, deve essere recepita da tutti i router , e di fatto crea dei canali preferenziali assegnati ai vari flussi e cerca di mantenerli (per-flow state)
•Differentiated Service (DiffServ): strategia che cerca di spostare il problema sul lato “edge” creando aggregati di pacchetti (non di flussi) in funzioni delle diverse classi di servizio (per-class state), le risorse vengono tendenzialmente allocate “in eccesso” (overprovisioning) .
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Modelli per una gestione della QoS
Setup Protocolsistema di segnalazione per l’allocazione delle risorse nei nodi della rete
Si applica il protocollo RSVP (Resource Reservation Protocol):
• RSVP mira ad aprire un percorso di routing con una QoSdeterminata e a mantenerla attiva , prenotando quanto necessario nei vari router del percorso.
• La richiesta di prenotazione di risorse nasce dal nodo ricevitore, questo semplifica la gestione nel caso multicast
• Ogni nodo memorizza in un “softstate” la configurazione di risorse assegnata
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Modelli per una gestione della QoS
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Protocolli per il trasporto: RTP
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Realtime Transport Protocol (RFC3550):
Questo protocollo permette distribuzione end-to-end di servizi che necessitano di trasferimento realtime, audio e video multimediale. Alcuni servizi di RTP sono:•l'identificazione del payload type•la numerazione sequenziale (sequence number)•la marcatura temporale (timestamp)•Il monitoraggio
RTP non garantisce la consegna dei pacchetti, si appoggia alla QoS dei livelli inferiori (trasporto UDP e rete) , ma attraverso i servizi forniti consente al ricevente di gestire comunque (riordino, ricostruzione, risincronizzazione) il flusso realtime
Vantaggi: l’overhead è minimo, per cui si snellisce la trasmissione
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Protocolli per la segnalazione: SIP
Il protocollo di segnalazione SIP (Session Initiation Protocol) nasce in ambiente IETF (RFC2543 e RFC3261), per la gestione di sessioni multimediali in ambito internet, con modalità peer-to-peer.
SAPRSVP
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Protocolli per la segnalazione: SIP
Caratteristiche del protocollo:
• È un protocollo indipendente dal protocollo di trasporto (UDP o TCP) e programmabile, quindi facilmente estendibile
• SIP dà supporto a servizi avanzati come il controllo di presenza, la ricerca del chiamato e il reinstradamento della comunicazione.
• SIP consente all'utente di decidere come e dove desidera essere raggiunto (personal mobility) , aggiornando sul sistema, in modo dinamico, un registro con lo stato di tutti gli utenti, i luoghi di reperibilità e le preferenze nella comunicazione
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Protocolli per la segnalazione: SIP
Caratteristiche del protocollo:
•Architettura modulare e scalabile, ovvero capace di crescere con il numero degli utilizzatori del servizio
•Segue il modello di transazioni client-server e la sintassi derivata dall’HTTP, basata su testo, del tipo request/response
•Eventuali server possono essere sia sateless che stateful
•SIP sviluppa funzionalità simili alla rete PSTN, non centralizzate ma distribuite negli elementi periferici endpoint
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Elementi della architettura:1.User agent client (UAC), è un’applicazione che inizia la richiesta per l’instaurazione di una sessione SIP2.User agent server (UAS), è un’applicazione che contatta l’utente quando riceve una richiesta SIP invia una risposta.3.Proxy server: è un programma che agisce sia da client che da server allo scopo di inoltrare richieste UAC verso UAS, implementando policies.
Protocolli per la segnalazione: SIP
4.Redirect server, è un server che accetta richieste SIP, mappa l’indirizzo in uno o più nuovi indirizzi e li restituisce all’utente richiedente.Diversamente dal proxy ,non fa routing .5.Registrar, è un server che accetta richieste di registrazione e le memorizza6.Location server, conserva informazioni sulla localizzazione degli utenti7.B2BUA, funzionalità doppia client/server per connessioni back-to-back (IP-PBX)
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Esempi di sessione: Direct call
Protocolli per la segnalazione: SIP
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Esempi di sessione: Redirect
Protocolli per la segnalazione: SIP
REGISTER
ACK
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Peer to peer VoIP:
•Soluzione proprietaria che nasce come applicazione di IstantMessaging (IM), realizzata da Zennstrom e Friis (fondatori di KaZaA) , prima versione nel 2003.•Chiamata gratuita tra client skype, a pagamento verso PSTN e altriservizi (es . Skype-to-mobile @1,9cent/min)•Client software disponibile per Windows, Mac, iphone/iPad, linux, etc..E’ una applicazione peer to peer che utilizza i seguenti componenti:•Ordinary Host (il client skype)•Supernodes (è un ordinary host che viene promosso a “proxy” di piùOH se ha risorse e banda sufficienti, contiene le liste degli utenti)•Login server (è l’unica risorsa centralizzata)•Neighbour relationship (è la relazione che collega SN con OH)
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Peer to peer VoIP:
Altri elementi :•Host cache: è la lista dei supernodi in relazione di vicinanza con OH•Buddy list: è la lista dei contatti salvata localmente•Encryption a 256bit, chiave AES simmetrica•NAT traversal: sembra che skypeusi una versione derivata di STUN •Codec throughput: da 3 a 16Kbit/s, BW fino a 8KHz, senza soppressione del silenzio•I pacchetti voce utilizzano UDP o TCP. •Skype non usa RTP
La telefonia su IP: IP-PBX
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