Voix sur IP. André-Luc Beylot Département Télécoms et Réseaux ENSEEIHT

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1 Voix sur IP André-Luc Beylot Département Télécoms et Réseaux ENSEEIHT

2 Plan Introduction RTP/RTCP Les protocoles de signalisation : SIP H.323 MGCP/Megaco Conclusion 2

3 Introduction : Que pourraitêtre la voix sur IP? Exemple : John, devant son ordinateur, appelle Mary en demandant les options audio et video. L appel atteint l agent d appel de Mary L agent d appel sonne sur l ordinateur de Mary, son téléphone cellulaire et son téléphone fixe Marie répond depuis l ordinateur de son bureau Durant l appel, John décide d ajouter Bob à la conversation qui répond avec son téléphone cellulaire L agent d appel de Bob doit trouver une passerelle entre le réseau IP et le réseau Téléphonique commuté (RTC) Par la suite, Bob décide d envoyer un document video Il utilise le serveur Web pour diffuser (multicast) la séquence video 3

4 Introduction : Que pourraitêtre la voix sur IP? Services et Protocoles mis en jeu dans le scénario précédent : Protocoles de Transport supports de communications pour la voix pour la video en temps réel pour la video stockée Solution : RTP diffusion en direct - RTSP données stockées Protocoles de signalisation mise en place de connexion trouver les correspondants (pages blanches) multicast negotiations des formats des médias (audio ; audio et video) contrôle des passerelles entre Internet et RTC Nombreuses solutions : H323, SIP, MGCP 4

5 Introduction : RTC Le RTC a de nombreux avantages : Une bonne qualité de voix Grande robustesse (système de signalisation : SS7) Très sûr Services efficaces (réseau intelligent, fax) Mais le RTC a atteint ses limites : introduction de nouveaux services (de données) trop cher : le dernier km constitue un goulot d étranglement les connexions Web ne sont pas bien adaptées pour un circuit de voix (le SS7 a été prévu pour le trafic de voix) ATM, qui était la solution, est arrivé trop tard pas d applications ATM natives) 5

6 Introduction : Internet Internet offre une base réelle pour une intégration de service efficace (orienté paquet) Mais le transport de la voix ne s accomode pas bien : d 1 délai trop important d 1 gigue trop importante (service isochrone) Solutions possibles : DiffServ, MPLS, IntServ Conclusion : dans un premier temps, la voix sur IP devra coexister avec le RTC 6

7 Problèmes liés à la transmission de la voix Délai et gigue dans le RTC : Gigue négligeable (Commutation de Circuits) Délai ~ Propagation. Faible sauf satellite (acoustic echo problem) Dans VoIP : 2 problèmes : partie fixe et variable. Partie Fixe : Système d Exploitation : la carte son échantillonne le signal provenant du micro accumule les échantillons dans un buffer demande à l OS de les récupérer par des interruptions Pb : pour la plupart des OS, période des interruptions >= 60 ms Conséquence : arrivées groupées. Solution : OS temps réel ou hardware dédié 7

8 Transmission de la voix Délai Partie Fixe : Codeur : beaucoup de codeurs sont orientés trames (plutôt qu échantillon) Accumulation d échantillons prend un certain temps de +, certains codeurs utilisent la technique plus on en sait, mieux on compresse Politique de redondance : limiter l impact des pertes de paquets méthode proactive. E.g. : à chaque paquet, on ajoute une copie (codée avec une qualité moindre) du paquet précédent Nécessaire parce que les retransmissions ne sont pas possibles (les paquets arriveraient trop tard!) Problème : en cas de congestion, participe à la congestion! 8

9 Problèmes liés à la transmission de la voix Partie Fixe (suite) : Protocoles de Transport (RTP, UDP, IP) : ils ajoutent des délais en accolant les en-têtes pour réduire l overhead, on pourrait envisager de regrouper les trames. Le multiplexage RTP n est pas encore standardisé Partie Variable (gigue) : due aux variations de délai dans le réseau Solution : utiliser un buffer de réception Principle : à la réception du premier paquet, le bufferiser pendant une période fixe L puis lire de façon continue. Difficulté : dimensionner L trop petit => trop de paquets perdus (arrivent trop tard) trop grand => delai inacceptable (la voix = signal temps réel!) 9

10 RTP/RTCP RTP solution communément acceptée pour transférer de la voix sur un réseau de type paquet (Internet). RTP envoie des données au-dessus de TCP ou de UDP RTP permet de numéroter pour reséquencer et de compenser la gigue due au multiplexage statistique (< routers) : estampille : synchronisation numérotation (pas fait par UDP) type de données (e.g : PCM, H.263) RTP permet des sessions unicast ou multicast Une session RTP par flux (port UDP / adresse Multicast). Flux synchronisés par RTCP 10

11 RTCP - RTP Control Protocol RTCP port # = RTP port # +1 RTCP a pour but : distribuer des statistiques (Evaluation de la QoS) entre les participants (émetteurs et récepteurs) Synchronisation entre les médias en comparant les estampilles RTP (media relative time) RTP et RTCP permettent un contrôle de niveau applicatif de le connexion téléphonique RTP/RTCP n ont pas d influence sur le réseau lui-même l Internet n est pas capable de garantir des délais/gigue/ pertes faibles : problème pour la voix RTP permet de compenser une gigue modérée et RTCP permet d effectuer des adaptations au niveau des terminaux 11

12 SDP : Session Description Protocol

13 SDP : Session Description Protocol RFC 2237 Pas vraiment un protocole - les données sont véhiculées par d autres protocoles Utilisé SIP, RTSP, H.332, MGCP Décrit les sessions multimédia : codeurs audio et vidéo utilisés (payload type) information sur la session (nom, description courte) adresse multicast à utiliser (en cas de conférence multiparties) 13

14 Protocoles de signalisation: SIP

15 Introduction SIP (RFC 2543) issu du groupe de travail MMUSIC (Multiparty Multimedia Session Control) de l IETF MMUSIC : SIP : Session Initiation Protocol SDP : Session Description Protocol (type de format échangé, adresses, nom de la session ) RTSP : Real-time Streaming Protocol Objectifs de SIP Localisation Etablissement d appel (Re)-Négotiation des paramètres de session Gestion des participants de l appel Fin et transferts d appels 15

16 Transactions et messages SIP Entités SIP communiquent via des transactions : 1 transaction = 1 requête + 1 ou plusieurs réponses Transactions numérotées, mode client/serveur SIP fonctionne sur TCP ou UDP Rem : les flux sont eux véhiculés par RTP/RTCP sur UDP 2 types de messages : Requêtes et Réponses En-tête : Call-ID. E.g. Cseq : numéro de séquence From : e.g. From: Mydisplayname To : e.g. To: Helpdesk Via : e.g. Via : 16

17 SIP Requêtes et Réponses Requêtes INVITE : mises en place de connexion ACK BYE CANCEL : arrêter la recherche d un utilisateur REGISTER : pour s enregistrer auprès d un serveur Réponses Traitement en cours Succès Redirection Echec (du client, du serveur) 17

18 Appel Téléphonique entre utilisateurs Internet Mary John INVITE c=in IP m=audio RTP/AVP 0 RTP/AVP 0 Audio = Loi m port UDP où le flux RTP est attendu Port # m law 200 OK c=in IP m=audio RTP/AVP 3 GSM John peut recevoir des données GSM sur le port Port # ACK 18

19 Entités SIP Annuaire : garde la trace de la correspondance = / utilise la requête Register Découverte de l annuaire : Groupe multicast dédié : sip.mcast.net: (TTL=1) Communication possible en unicast si on connaît sa localisation Enregistrement non permanent (timeout) Serveur de redirection: répond à des demandes de connexions par des réponses 3xx en donnant d autres adresses... 19

20 Entités et adresses SIP Agent d appel (Call Agent) : proxy (doit se trouver sur le chemin de chaque appel) pas situé sur la machine de l usager qui peut être éteinte /utiliser une adresse IP temporaire Tâches : doit trouver l utilisateur en lui redirigeant les messages implante les règles de redirection (call forward on busy ) filtrage d appel SIP addresses = URL pas une adresse de transport, le plus Localisation en 2 temps : Trouver le serveur SIP à partir de SIP URL, en utilisant le DNS (en retrouvant des enregistrements sip.udp or sip.tcp ) Envoyer un INVITE au Serveur qui redirige l appel 20

21 Conférence SIP fait pour utiliser IP multicast : flux de données et de sig peuvent être envoyés en utilisant le multicast URL Destination = nom de la conférence Réponses aux requêtes SIP envoyées à la même adresse multicast. Le passage d une communication entre 2 utilisateurs à une conférence entre n utilisateurs se fait en envoyant un INVITE à à tous les participants en utilisants le même CallID 21

22 Protocole de signalisation H.323

23 H.323 H.323 : standard ITU-T. Début des travaux sur H.323v1 Mai 1995 Version 2 - Février 1998 Version 3 - utilisation possible d UDP H.323 : vidéo-conférence sur des réseaux de paquets (IP, ATM, IPX) Video-conférence existe déjà sur l Internet avec le Mbone : Media transportés par RTP/RTCP arbre MC construit avec DVMRP Solution fruste : DVMRP ne permet pas le passage à l échelle on ne peut pas négocier le codec pas de possibilité de contacter un utilisateur du RTC Pas de service de pages blanches H.323 a pour objectif de résoudre ces problèmes 23

24 Différentes phases de H.323 Gatekeeper (contrôleur) : contrôle la session : traduction d adresse, contrôle d admission/bp, gère une zone Gateway: passerelle H.323/RTC Initialisation: enregistrement auprès du GK GK admission: obtenir l autorisation - GK résout Signalisation d appel: initialisation et mise en place/rejet de la demande (cnx sig) Négotiation/configuration: échange du type de données que les entités peuvent traiter Echange de données: configuration et ouverture de canaux logiques envoyer et recevoir des flux de données Re-négotiation: changer participants/ médias/ paramètres Fin:terminer l appel/conférence ; supprimer un utilisateur référencé 24

25 Composants et Canaux H.323 Utilisateur contrôleur GK (H.225.0) UDP Signalisation : H.225 (Q.931) Contrôle d appel service supplémentaires TCP; depuis la v3: éventuellement UDP contrôle (H.245): Négociation type de données et capacités des intervenants ; ouverture des canaux logiques Reste ouverte pendant toute la durée des échanges Utilise TCP Canaux logiques : transporte flux audio, video (UDP) 25

26 1ère Phase : Initialisation de l appel (H.225) Terminal A : John H.225: SETUP Call Identifier : ID of A : Source type : PC Call Type : Point to Point : IP address : Terminal B : Mark Call Signal Channel (Q.931 Channel) TCP port # 1720 Setup Alerting Connect Call Signal Channel (Q.931 Channel) TCP port # 1720 Dedicated port # H.225: CONNECT Call Identifier : H.245 address : :

27 1ère Phase : Initialisation H.323v2 E.164 H.323-ID (chaîne de catactères) url-id transport-id (ex: :1720) ID : Identifiants : H : Référence de l appel (unique entre A et B) H.323 : Identifiant d appel Identifiant de conférence (CID) : unique pour tous les participants 27

28 2ème Phase : Canal de contrôle (H.245) Terminal A : John H.245: TerminalCapabilitySet Multiplex Capability Capability Table : H.261 Video G711 A law 64k G729 IP address : Terminal B : Mark H.245 Control Channel TCP port # Term. Cap. Set Term. Cap. Set Ack Term. Cap. Set H.245 Control Channel TCP port # 8741 Term. Cap. Set Ack H.245: TerminalCapabilitySet Multiplex Capability Capability Table : H.261 Video G711 A law 64k 28

29 3ème phase : Mise en place du Dialogue Terminal A : John H.245: OpenLogicalChannel Logical Channel 1, RTCP RR port 7771 G711, A law 64k Session #, RTP payload type silence suppression IP address : Terminal B : Mark H.245 Control Channel TCP port # Open logical channel Open logical channel Open logical channel Ack H.245 Control Channel TCP port # 8741 Open logical channel Ack Mise en place de 2 canaux unidirectionnels H.245: OpenLogicalChannelAck Logical Channel 1, RTCP SR port 9345 RTP port

30 4ème phase : Dialogue IP address : Terminal A : John Terminal B : Mark Audio Channel = logical channel 1 RTP : UDP RTCP :UDP 7771 RTCP :UDP RTP Flow from A to B RTCP RR RTCP SR Audio Channel = logical channel 1 RTP : UDP 9344 RTCP :UDP RTCP :UDP 9345 H.245 Control Channel TCP port #... RTP Flow from B to A Logical Channel 0 H.245 Control Channel TCP port #

31 Dernière Phase : Fin Sur le canal H.245, fermeture de tous les canaux de données Initié par le premier qui raccroche CloseLogicalChannel et CloseLogicalChannel Ack Si le canal H.225 n a pas été fermé, Release Complete message est envoyé 31

32 Appel RTC/Internet Gatekeepers (GK): gère une zone locale (contrôle des appels entrants/sortants) enregistre les utilisateurs locaux joue le rôle d agent d appel (redirection si appelé occupé...) Communication entre utilisateur et GK défini dans RAS (Registration, administration and status) inclus dans H Canal RAS Gateways (GW): gérés par les GK interface entre Internet et RTC accès RNIS : GW envoie directement les messages Q.931 (SETUP, ALERTING) liaisons analogiques : numérotation DTMF envoie un message ALERTING quand il détecte une sonnerie 32

33 1ère étape : Localisation du GK et Enregistrement Localisation GK : Configuration Manuelle Configuration Dynamique (roaming users) Enregistement : Utilisateur vers GK : RRQ (Registration ReQuest) contient les ports à utiliser pour le canal de signalisation de l appel (H.245) GK vers Utilisateur : RCF (Registration Confirm) GK renvoie: un identifiant unique d utilisateur (à utiliser dans les msg RAS) alias 33

34 2ème phase : Requête d autorisation d appel Utilisateur vers GK : ARQ (Admission ReQuest - msg RAS) type d appel (e.g. point to point) modèle d appel (direct ou routé = de zone en zone - GK to GK) destination E.g. numéro E CallId Estimation de la bande passante requise GK vers utilisateur : ACF (Admission Confirm) Adresse IP + # port pour le canal Q.931. Pour les num. E.164, adresse d une GW (ou d un GK pour le modèle routé ) Bande Passante autorisée 34

35 3ème phase : Sig. d appel 2ème phase RAS Channel ARQ (number= ) ACF (Q.931= :1720) GK GW GW peut changer le numéro (e.g. enlever +33 s il est localisé en France) Q.931 Channel ALERTING SETUP (number= ) ARQ ACF CONNECT GW demande la permission au GK fl 35

36 Fin d appel GK GW EndSessionCommand (H.245 level) EndSessionComplete (H.245 level) ReleaseComplete (Q.931 level) DRQ (disengage request) DRQ DCF (disengage confirm) Confirmation envoyée à DCF la GW et à l utilisateur 36

37 Numérotation H.323 Problème : comment atteindre un téléphone IP à partir d un téléphone du RTC? Appeler une passerelle interactive qui demande une adresse IP ou un => Problème de passage à l échelle Besoin d une procédure automatique. Plusieurs solutions : 1 préfixe spécial par pays 1 code spécial (comme les numéros 800) 1 code de pays pour les téléphones IP 1ère solution pose un vrai pb : atteindre un téléphone IP dans un autre pays conduira à router l appel via le RTC jusqu au pays considéré! Objectif rentrer le plus tôt possible dans l Internet. Pas de solution largement acceptée pour l instant... 37

38 H.323 versus SIP Avantages de SIP : Rapidité : établissement de connexion beaucoup plus simple (H.323 impose de nombreux échanges) Multicast : SIP est prévu pour fonctionner au-dessus d un backbone IP multicast pour le transport des données et de la signalisation (H.323 fait du multi-unicast) Avantages de H.323 : Canaux logiques : distinction claire entre les canaux de données et les canaux de contrôle alors qu avec SIP le terminal doit être prêt à recevoir des données d annonce de capacités 38

39 MGCP/Megaco

40 Analyse de H.323 Gatekeeper Gatekeeper H multiplexing RAS - registration, admissions, status Call Signaling H channels, capabilities/preferences, flow control Call GW RTP - audio data GW S occupe uniquement de la mise en place des connexions Autres fonctionnalités implantées dans les GW autorisations, paiements collecte de la sig Le GK ne pilote pas vraiment la GW 40

41 D H.323 à MGCP/Megaco Inefficace pour les grandes passerelles d opérateurs Nombreuses Connexions (H.225, H.245, RTP) Traitements Longs (message en ASN.1) Trop complexe pour des petites passerelles d accès Passerelle très impliquée dans la mise en place des cnx Implantation de services cher Idée de base MGCP/MEGACO: Séparer physiquement le contrôle d appel du contrôle des média et des tuyaux La GW a suffisamment à faire avec les conversions MIC/RTP 41

42 Media gateway control et sig. d appel ISUP over SIGTRAN SG MGC SIP-T, ISUP in H.323 MGC SG SIP SIP User Agent PSTN Gateway control protocol H.323 call signaling Internet Gateway control protocol PSTN H.323 Endpoint MG MG SS7 Network Call signaling Media gateway control signaling Media flows SG: Signaling Gateway, MG: Media Gateway, MGC: Media Gateway Controller SS7 Network 42

43 MGCP

44 Media Gateway Control Protocol (MGCP) RFC 2705 (Avril 2000) MGCP utilisé pour contrôler des passerelles téléphoniques (de cœur ou résidentielles) par des éléments de contrôle d appel externes appelés media gateway controllers ou call agents. MGCP au-dessus d UDP : passage à l échelle, delai MGCP utilise SDP pour décrire les connexions: v=0 c=in IP m=audio 3456 RTP/AVP 0 96 a=rtpmap:96 G726/4 44

45 Architecture MGCP Residential Gateways (RGW): Connexions des usagers téléphoniques IP Pas de modification du téléphone RGW détecte les événements et les notifie à l agent d appel (MGCP) RGW supporte RTP RGW connecté à l Internet via le RTC, l ADSL ou des liaisons ATM ( ) 45

46 Architecture MGCP Trunk Gateway (TGW): Interconnexion Internet-RTC : convertit les formats TDM/RTP - RTP/TDM Supporte MGCP (contrôlé par un Call Agent) Doit aussi supporter (côté RTC): Signalisation dans la bande (liaisons analogiques) 46

47 MGCP Architecture Call Agent (CA) ou Media Gateway Controller: Contrôle RGW et TGW Supporte la signalisation SS7 (TGW est simple: s occupe de la conversion TDM/RTP) 1 CA contrôle plusieurs GWs Pas de protocole normalisé pour les échanges entre CA : Pas critique dans un premier temps, les CA peuvent interopérer via le SS7 Ils peuvent utiliser SIP qui peut encapsuler des données SS7 A terme utiliser les solutions SS7 over IP (STCP) issues du groupe de travail IETF Sigtran. 47

48 Configurations MGCP (1/3) PSTN signaling protocols SS7/ISUP Call agent SS7/ISUP STP MGCP/UDP STP CO TGW IP Network TGW CO RTP TGW : Trunk Gateway CO : Central Office STP : Switching Transfer Point 48

49 Configurations MGCP (2/3) SS7/ISUP Call agent STP MGCP/UDP CO TGW IP Network RGW RTP 49

50 Configurations MGCP (3/3) Le CA met en œuvre de nombreux protocoles (SS7,H.323 ou SIP), utilise MGCP pour contrôler les GWs SS7/ISUP Call agent STP MGCP/UDP H.323 or SIP RTP CO TGW IP Network RGW RGW : Residential Gateway 50

51 Communication MGCP/RTC L agent d appel peut maintenant chercher 1 TGW pour cet appel (Initial Address Message) (Address Complete Message) (Answer Message) 51

52 Communication MGCP/SIP 52

53 MGCP vs. SIP Ne pourrait-on pas utiliser uniquement H.323? Etablissement des appels très long. Ou SIP? SIP protocole peer to peer qui ne convient pas à un contrôle des gateways MGCP doit-il remplacer H.323 ou SIP? Apparemment non. SIP et H.323 offrent un grand nombre de services non couverts par MGCP (conférences multimedia, règles de redirection) SIP et H.323 permet la mise en œuvre de services intra- Internet alors que MGCP se concentre sur les liaisons Internet/RTC 53

54 Conclusion Pour remplacer le RTC, VoIP a besoin d un vrai protocole de signalisation efficace Cela prend beaucoup de temps la coexistence RTC/VoIP va durer encore longtemps Besoin d une proposition globale A l heure actuelle, bataille entre SIP et H.323 Groupe de travail MEGACO IETF (commun ITU-T/IETF/ETSI) essaye de proposer un rapprochement MGCP - H.323 ; inclus dans H.323 (H.248) modélisation des communications multimédia. Les protocoles de signalisation ont besoin d une bonne disponibilité (pour le RTC %), délai raisonnable + transfert de la voix contraignant solutions DiffServ/MPLS 54

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