VoIP Definizioni

VoIP
Definizioni. Limiti del servizio best-effort.
Rimozione del jitter audio. Recupero dei
pacchetti perduti. I protocolli RTP, RTCP,
SIP H.323,
SIP,
H 323 ENUM
Parte delle slide sono riadattate da :
Reti di calcolatori e Internet: Un approccio top-down, 4a ed. J. Kurose, K. Ross, Pearson, 2008
Prof. Filippo Lanubile
Definizioni
• Voice over IP (VoiP): trasporto delle comunicazioni
vocali in reti che usano il protocollo IP
– piuttosto che la Public Switched Telephone Network (PSTN)
• Telefonia Internet (anche detta IP Telephony):
applicazione del VoIP per l’erogazione di servizi
telefonici su Internet
• Vantaggi:
– riduzione dei costi
– nuovi servizi
• VoiceMail
(segreteria telefonica integrata e-mail)
• Click2dial
(chiamate partono via Web)
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Caratteristiche fondamentali
• Sensibile al ritardo:
– Ritardo
Rit d end-to-end
dt
d
• audio: < 150 msec buono, < 400 msec accettabile
• Comprende i ritardi a livello di applicazione (impacchettamento) e il
ritardo di rete
• Ritardi superiori risultano frustranti, o impediscono addirittura la
conversazione
– Ritardo jitter
• termine con il quale si indica la variabilità dei ritardi subita dai
pacchetti dello stesso flusso
• Ma
M tollerante
t ll
t alla
ll perdita
dit
– perdite occasionali causano solo marginali interferenze
• Inizializzazione della sessione
– Come fa il chiamante ad allertare indirizzo IP, numero di porta,
algoritmi di codifica?
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Telefonia Internet
Esempio:
• In una normale conversazione si alternano periodi di
“parlato” e di “silenzio”:
– 64 kbps durante il periodo di “parlato”
• L’applicazione genera pacchetti solo nella fase di
“parlato”
– Genera un flusso compresso di 8.000 bps
– Ogni 20 ms li riunisce in blocchi da 160 byte
• Ciascun blocco ha un’intestazione
un intestazione a livello di
applicazione
• Il blocco e l’intestazione sono incapsulati in un
segmento UDP
• Quindi, durante la fase di emissione, ogni 20 ms viene
inviato un segmento UDP
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Perdita dei pacchetti e ritardo
• Perdita a causa della rete:
– è possibile quando un buffer è pieno e non può ricevere il
datagramma IP che, in questo caso, viene scartato e non
arriverà mai a destinazione
• Perdita per ritardo:
– quando i datagrammi IP arrivano con molto ritardo:
• Diversi “tipi” di ritardo: di trasmissione, di elaborazione, di
accodamento nei router, di propagazione e di elaborazione nei
terminali lungo un collegamento
• Ritardo massimo tollerato: 400 ms
– Ritardo tollerato:
• a seconda di come la voce è codificata e trasmessa, e di come
la perdita è mascherata in ricezione, tassi di ritardo compresi
fra 1% e 10% possono essere tollerati
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Jitter di pacchetto
buffered
data
trasmissione
video con tasso
costante
Ricezione
riproduzione del video
a tasso costante
Ritardo
di rete
variabile
(jitter)
Ritardo di
riproduzione
tempo
• Con jitter si indica la variabilità dei ritardi subita dai pacchetti
dello stesso flusso
– differenza maggiore o inferiore a 20 ms tra due pacchetti
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Ritardo di riproduzione fisso
• Il ricevente tenta di riprodurre ciascun blocco
esattamente q millisecondi dopo che è stato generato.
– Se un blocco è contrassegnato da un tempo di generazione t, il
ricevente lo riproduce dopo un intervallo t + q.
– Se il blocco non è arrivato in tempo utile, lo scarta e lo
considera perso.
• Qual è la migliore scelta per q?
– q elevato: diminuisce la perdita dei pacchetti
– q basso: la qualità è migliore (ma se q è addirittura inferiore a
400 ms molti pacchetti mancherebbero il tempo programmato
per la riproduzione a causa del jitter)
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Ritardo di riproduzione fisso
•
•
•
•
Il trasmittente genera pacchetti a intervalli regolari, supponiamo ogni 20 ms
Il primo pacchetto è ricevuto al tempo r
Il primo istante di riproduzione inizia al tempo p
packets
Il secondo istante di riproduzione inizia al tempo p’
loss
packets
generated
packets
received
playout
p
y
schedule
p' - r
playout schedule
p-r
time
Prof. Filippo
r Lanubile
p
p'
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Ritardo di riproduzione adattativo
• Obiettivo: ritardo di riproduzione minimo con il
vincolo che la perdita sia al di sotto dei pochi punti
percentuali.
• Approccio: regolare il ritardo di riproduzione:
– Stimare il ritardo della rete e regolare il ritardo di
riproduzione con l’inizio di ciascun periodo di attività
vocale
– Le stime sono calcolate per ogni pacchetto ricevuto,
sebbene possano essere utilizzate solo per determinare il
punto di riproduzione del primo pacchetto di un periodo di
attività
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Recupero dei pacchetti perduti
Correzione
C
i
d
dell’errore
ll’
iin avantiti
(FEC): primo meccanismo
• Invia, dopo ogni n blocchi, un
blocco ridondante ottenuto da
un’operazione di OR esclusivo
degli n blocchi originali
• Se qualche pacchetto del
gruppo n + 1 va perso, il
ricevente lo può ricostruire
i
integralmente
l
• Se in un gruppo si perdono due
o più pacchetti, il ricevente non
può ricostruirli
• Il ricevente
i
t deve
d
attendere
tt d
di aver ricevuto l’intero
gruppo di pacchetti prima di
poter iniziarne la
riproduzione
• Conseguenze:
– all’aumentare di n, minore
spreco di banda
– all
all’aumentare
aumentare di n
n, maggiore
ritardo di riproduzione
– all’aumentare di n,
aumentano le probabilità che
2 o più blocchi vengano persi
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Recupero dei pacchetti perduti
FEC: secondo meccanismo
• informazioni
informa ioni ridondanti di
bassa qualità
• consiste nell’inviare uno
stream audio a bassa
risoluzione come
informazione ridondante
• per esempio, stream
nominale con codifica
PCM a 64 kbps e una
codifica GSM a 13 Kbps
• Ogni volta che si perdono pacchetti non consecutivi, il
ricevente può mascherare la perdita riproducendo il blocco
codificato a bassa velocità
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Recupero dei pacchetti perduti
Interallacciamento
• Può migliorare la qualità con cui
si percepisce uno stream audio
• Presenta una bassa ridondanza
• Non richiede l’aumento di
larghezza di banda dello stream
• Incrementa la latenza,
limitando così il suo utilizzo in
applicazioni interattive come
la telefonia
• Buone prestazioni nello
streaming audio memorizzato
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Ricapitolando
• Uso di UDP per evitare il controllo di
congestione di TCP (ritardo) per il traffico timesensitive
• Ritardo di riproduzione adattativo al lato client:
per rimediare ai vari ritardi
• Fornitura di larghezza di banda
• Recupero degli errori (su UDP)
– FEC, interallacciamento, mascheramento dell’errore
– Ritrasmissione (se consentita)
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Protocolli per il VoIP
Trasporto audio/video
• RTP
Segnalazione chiamata
• H.323
H 323
– Real Time Protocol
– IETF RFC 3550, 2003
– ITU-T Study Group 16,
version 5, prima versione
nel 1995, aggiornato nel
2003
• RTCP
– Real Time Control Protocol
– IETF RFC 3550, 2003
Number mapping
• ENUM
• SIP
– Session Initiation Protocol
– IETF RFC 3261, 2002
– E.164 Number Mapping
– IETF RFC 3761, 2004
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RTP (Real Time Protocol)
Specifica la struttura di un pacchetto
standardizzata per i campi dati audio/video
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Librerie RTP
• forniscono
un’interfaccia a livello
di trasporto che
estende UDP:
– numeri di porta,
indirizzi IP
– identificazione del tipo
di carico
– numero di sequenza
– marcatura temporale
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RTP e QoS
• QoS (Quality of Service)
– livello di prestazioni adeguato per un corretto
funzionamento dell’applicazione
• RTP non offre alcun meccanismo che assicuri
la consegna in tempo dei dati o fornisca altre
garanzie in termini di QoS
g
• L’incapsulamento RTP è visibile solo al sistema
terminale
– non dai router intermedi
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RTCP (RTP control protocol)
• F
Funziona
i
insieme
i i
a RTP
• Ogni partecipante a una sessione RTP trasmette
periodicamente pacchetti di controllo RTCP a tutti gli
altri partecipanti
• Ogni pacchetto RTCP contiene i rapporti dei
trasmittenti e/o riceventi
– Che comunicano statistiche utili all’applicazione
• numero dei pacchetti spediti,
spediti di quelli persi e il jitter
– Queste informazioni possono essere utilizzate per controllare
le performance
• Per limitare il traffico, ogni partecipante riduce il suo
traffico RTCP quando il numero dei partecipanti
aumenta
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Pacchetti RTCP
• Il ricevente genera un rapporto di ricezione:
– La frazione di p
pacchetti p
persi, l’ultimo numero di sequenza
q
ricevuto e il jitter negli arrivi
• Il trasmittente invia pacchetti di rapporto:
– L’identificatore SSRC del flusso RTP, la marcatura temporale, il
numero dei pacchetti inviati e il numero dei byte inviati nel flusso
• Il trasmittente crea anche pacchetti di descrizione della
sorgente:
– Indirizzo e-mail, nome del trasmittente e informazioni
sull’applicazione che ha generato il flusso e il suo identificatore
SSRC
– Questi pacchetti forniscono una correlazione fra SSRC e il nome
dell’utente/host
• I pacchetti RTP e RTCP sono distinguibili dai loro numeri di
porta
– quello di RTCP è dato dal numero di porta RTP più uno
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Sincronizzazione dei flussi
• RTCP può
ò essere utilizzato
tili
t per sincronizzare
i
i
i
flussi delle sessioni RTP
• Consideriamo il caso in cui ciascun trasmittente
genera due flussi RTP indipendenti
– Le marcature temporali in questi pacchetti sono legate
agli orologi di campionamento audio e video
• e non all’ora effettiva, cioè al tempo reale
– I rapporti
ti RTCP d
dell ttrasmittente
itt t contengono:
t
• La marcatura temporale del più recente pacchetto RTP.
• L’ora effettiva di creazione
– I riceventi possono utilizzare questa corrispondenza per
sincronizzare la riproduzione di audio e video
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SIP (Session Initiation Protocol)
• Utili
Utilizzato
t per iiniziare,
i i
modificare
difi
o tterminare
i
sessioni fra uno o più partecipanti
– permette ai partner di scoprire i rispettivi indirizzi e
numeri di porta
– permette ai partner di concordare le modalità con cui
scambiarsi i dati
– sessioni multimediali, ma anche chat
• Per
P glili iindirizzi
di i i sii usano glili URI (IETF)
(IETF):
– sip:[email protected]
• sip => trasporto UDP o TCP
– sips:[email protected]:5062
• sips: => trasporto TLS
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Servizi offerti da SIP
• Impostazione della chiamata
– Consentire al chiamante di connettersi al ricevente
– Consentire ai partecipanti di accordarsi sulle codifiche dei
media
– Permettere di terminare le chiamate
• Determinazione dell’attuale indirizzo IP del ricevente
– mappa l’identificatore mnemonico all’attuale indirizzo IP
• Gestione della chiamata, fornisce procedure che
permettono di:
p
–
–
–
–
aggiungere nuovi flussi di media
cambiare la codifica durante la chiamata
invitare nuovi partecipanti
trasferire o mettere in attesa
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Chiamata verso un indirizzo IP noto
•
•
•
•
Ali invia
Alice
i i un messaggio
i INVITE
a Bob che comprende le
indicazioni del suo numero di
porta, del suo indirizzo IP. Vuole
ricevere l’audio codificato nel
formato AVP 0 (PCM codificato
con legge ).
Bob invia un messaggio di
risposta che comprende, oltre alla
stringa 200 OK, anche le
indicazioni del suo indirizzo IP e
le preferenze di codifica (GSM).
i messaggi SIP possono essere
inviati sia con TCP sia con UDP.
Qui sono inviati con RTP/UDP
Di default, il numero di porta di
SIP è 5060
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Impostare una chiamata
• Negoziazione del codec:
– Supponiamo che Bob non abbia un codec PCM con legge m.
– Avrebbe risposto con 606 Not Acceptable, elencando nel
messaggio tutti i codec che può utilizzare
– Alice sceglie uno dei codec e invia un altro messaggio INVITE
• Rifiutare la chiamata
– Bob p
può semplicemente
p
non accettare la chiamata inviando un
codice di risposta di rifiuto come “occupato”, “fuori servizio”,
“servizio a pagamento” o “vietato”
• I media possono essere inviati su RTP o su altro
protocollo
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Esempio di un messaggio SIP
INVITE sip:[email protected] SIP/2.0 • Qui non si conosce
l’indirizzo IP di Bob:
Via: SIP/2
SIP/2.0/UDP
0/UDP 167
167.180.112.24
180 112 24
sarà necessaria
l’intermediazione dei
From: sip:[email protected]
servizi di SIP
To: sip:[email protected]
• Alice invia e riceve
Call-ID: [email protected]
messaggi SIP usando il
numero di porta di
Content-Type: application/sdp
default 5060
Content-Length: 885
• Alice specifica
l’intestazione e riceve il
c=IN
IN IP4 167
167.180.112.24
180 112 24
i SIP su UDP
messaggio
m=audio 38060 RTP/AVP 0
• Assomiglia ai messaggi HTTP
• sdp = session description protocol
• Call-ID è unico per ogni chiamata.
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Traduzione dei nomi e localizzazione degli utenti
• Il chiamante ha solo il nome o l’indirizzo e-mail del
destinatario
• Ha
H bi
bisogno di conoscere l’i
l’indirizzo
di i
IP d
dell’attuale
ll’
l host
h
d l
del
destinatario:
– L’utente si sposta
– Protocollo DHCP
– L’utente ha differenti dispositivi IP (PC, PDA,…)
• I risultati si basano su:
– momento della giornata (al lavoro, a casa)
– chiamante (non
(
si desidera che il capo
p ci rintracci a casa))
– status del ricevente (le chiamate vengono dirottate su una
segreteria telefonica se il destinatario sta già parlando con
qualcuno)
• Servizi forniti dai server SIP
– Server di registrazione SIP
– Server proxy SIP
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Server di registrazione SIP
• U
Un utente
t t (Bob)
(B b) è associato
i t a un server di registrazione
i t i
SIP
al quale l’applicazione, quando viene lanciata, invia un
messaggio di registrazione.
• Il server di registrazione di Bob memorizza il suo attuale
indirizzo IP
REGISTER sip:domain.com SIP/2.0
Via: SIP/2.0/UDP 193.64.210.89
From: sip:[email protected]
To: sip:[email protected]
Expires: 3600
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Proxy SIP
• Alice invia un messaggio di invito al suo server proxy
– Contiene l’indirizzo sip:[email protected]
• Il proxy è responsabile dell’instradamento dei messaggi
SIP
– il messaggio può dover passare attraverso più proxy
• Il chiamato risponde attraverso la stessa serie di proxy
• Il proxy recapita ad Alice il messaggio di risposta
– contiene l’indirizzo IP di Bob
• Meccanismo analogo a quello di un server DNS locale
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Esempio
•
•
•
•
•
•
•
•
Procedura seguita da [email protected]
per avviare una sessione vocale IP con
[email protected]
(1) Ji
Jim iinvia
i un messaggio
i INVITE all
proxy SIP di umass
(2) Questo fa una ricerca e quindi
rilascia il Messaggio al server di
registrazione
(3) dato che Keith non è più presente
nel server di upenn, quest’ultimo invia
una risposta di ri-direzione verso
[email protected]
(4) Il proxy umass trasmette un INVITE
al server di registrazione SIP di
eurecom
(5) che conosce l’indirizzo e rilancia
l’INVITE al terminale 197.87.54.21, su
cui gira il client SIP di Keith
(6-8) viene inviata una risposta SIP
verso il client SIP
(9) I media vengono scambiati
direttamente tra i due client.
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SIP vs. H.323
• SIP è di origine
i i IETF
• H.323
H 323 è di origine
i i ITU
– Internet Engineering Task
Force
– International
Telecommunication Union
• SIP adotta il principio KISS:
keep it simple stupid
– adotta molti concetti del
Web, di DNS e dell’email
• SIP è un componente
monolitico
– Lavora con RTP, ma non lo
richiede
– Può essere combinato con
altri protocolli e servizi
• H.323 è una famiglia
completa di protocolli
integrati verticalmente per
le conferenze multimediali:
– segnalazione, registrazione,
controllo di ammissione,
trasporto e codec
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ENUM (E.164 Number Mapping)
• P
Problema:
bl
come evitare
it
che
h utenti
t ti di ttelefonia
l f i IP siano
i
costretti ad attraversare la PSTN per poter parlare quando
l’unica informazione nota è il numero di telefono
• Il sistema telefonico tradizionale usa la numerazione E.164
(gestita da ITU)
– Es. +390805443261
• Gli URI (gestiti da IETF) hanno formati del tipo
– mailto:[email protected]
– sip:[email protected]
• Il protocollo ENUM stabilisce come usare il DNS per
costruire degli URI a partire da numeri telefonici E.164
– RFC 3761
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Risoluzione ENUM
• Gli ENUM resolver sono p
presenti nei server VoIP
più evoluti e in alcuni apparati VoIP terminali
• Esempio
– Partire dal numero +390805443261
– Chiedere al DNS i record NAPTR relativi a
1.6.2.3.4.4.5.0.8.0.9.3.e164.arpa
IN NAPTR 100 10 “u” “E2U+sip” “!^.*!sip:[email protected]!”.
IN NAPTR 100 10 “u” “E2U+mailto” “!^.*!mailto:[email protected]!”.
@
IN NAPTR 100 10 “u” “E2U+http” “!^.*!http://
www.di.uniba.it/~lanubile/!”.
IN NAPTR 103 10 “u” “E2U+tel” “!^.*!tel:+390805443196!”.
– Restituire, se esiste, l’URI per il servizio desiderato (sip,
mail, web, tel, …)
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Scenario VoIP to VoIP
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L’albero nrenum.net
• L'ente di registrazione europeo RIPE gestisce
l’ENUM Golden Tree e164.arpa
– Non ancora pienamente funzionale
• Definizione di alberi privati grazie a nrenum.net
– L’intendimento è che nrenum.net sia consultato solo
se fallisce
f
la consultazione di e164.arpa
– Il GARR controlla l'amministrazione del prefisso +39
• sottoalbero 9.3.nrenum.net
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