Téléphonie. sur IP 2 e édition

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1 Téléphonie sur IP 2 e édition SIP, H.323, MGCP, QoS et sécurité, Asterisk, VoWiFi, offre multiplay des FAI, Skype et autres softphones, architecture IMS Laurent Ouakil Guy Pujolle

2 Avant-propos Lorsque, le 2 juin 1875, le Canadien Alexandre Graham Bell tente de transformer des ondes sonores en impulsions électromagnétiques, nul n imagine que ce professeur de physiologie vocale, spécialisé dans l enseignement du langage pour sourds et muets, allait inventer le téléphone. Accompagné de son assistant Thomas Watson, Bell expérimente le premier modèle de téléphone à distance limitée et à correspondance réduite : placés dans deux pièces distinctes, les deux physiciens disposent entre eux un fil conducteur dont une extrémité est munie d une lamelle reliée à un électroaimant. L expérience consiste à écarter cette lamelle de l électroaimant puis à la relâcher. Le résultat est prodigieux : un son se propage sur le fil conducteur jusqu à parvenir à l autre extrémité du fil. Il faudra moins d un an au scientifique Bell, tout juste âgé de 28 ans, pour perfectionner son prototype et rendre les transmissions d un bout à l autre d un fil conducteur parfaitement intelligibles pour l oreille humaine. Le 10 mars 1876, à Boston, Bell communique à distance avec son assistant en prononçant sa célèbre phrase : «Monsieur Watson, veuillez venir dans mon bureau, je vous prie.» Quelques mois plus tard, le téléphone entre dans sa phase de commercialisation. Des opératrices prennent en charge la demande de connexion et assurent la liaison entre les correspondants, et le succès est au rendez-vous. En 1964, en pleine guerre froide, le projet d un réseau informatique totalement distribué et dédié aux communications militaires est refusé par les autorités à son initiateur, Paul Baran. Presque en parallèle, les travaux du français Louis Pouzin, mettant au point le tout premier réseau à commutation de paquets, émule la communauté scientifique. Au début des années 70, un réseau imaginé par des laboratoires de recherche académiques voit le jour. Constitué de quatre ordinateurs répartis dans le monde, il est réalisé par l ARPA (Advanced Research Projects Agency) et prend le nom d ARPANET. Au même moment, en France, le projet Cyclades relie plusieurs ordinateurs par une technologie de datagramme. Ces prototypes démontrent la faisabilité du réseau mondial qui se développera sous le nom d Internet, et dont le protocole IP (Internet Protocol) est l emblème. Il faudra toutefois attendre 1989 pour que Tim Berners-Lee invente le protocole HTTP et propose des

3 VI Téléphonie sur IP liens hypertextes avec le langage HTML pour que le grand public commence à se passionner pour le Word-Wide Web. Depuis lors, le réseau IP n a cessé de croître et d obtenir les faveurs des acteurs des télécommunications. Avec les réseaux IP, la téléphonie connaît un nouvel élan. Elle se place à la jonction du monde des télécommunications et de celui des réseaux informatiques. Les professionnels ont rapidement compris l intérêt d une convergence vers un réseau entièrement IP. De son côté, le grand public se passionne pour des programmes tels que Skype, qui allient simplicité et performance, à des tarifs ultra-compétitifs. Plus qu un nouveau support de l information, c est un nouveau mode de communication qui est inventé avec la téléphonie sur IP. Les fonctionnalités étant accrues, une communication ne se limite plus qu à la parole téléphonique, mais peut s enrichir de multiples facettes, qui facilitent son usage, comme la vidéo associée à la parole téléphonique ou le service de présence des softphones, qui indique en temps réel la disponibilité de ses contacts. Cet enrichissement s accompagne de performances souvent supérieures à celles du traditionnel réseau RTC. La qualité d une communication de ToIP est parfois tellement bonne qu il est impossible de discerner si un correspondant est proche ou à l autre bout du monde. Peu à peu, les habitudes comportementales des consommateurs sont modifiées. À des coûts très raisonnables et avec une telle commodité d utilisation, les distances sont abolies, l interactivité est fidèle, et les communications téléphoniques deviennent tout à la fois plus longues, plus conviviales et plus productives. L émergence de la ToIP se poursuit inexorablement depuis plusieurs années. Que l on soit un particulier ou un professionnel, elle s impose parallèlement sur différents axes. Pour un utilisateur équipé d un ordinateur, les solutions de ToIP de type Skype sont nombreuses. Si l usage d un ordinateur rebute, les FAI proposent des solutions packagées dans leur offre Internet de base. Dans ce modèle, la ToIP tend à se substituer à la téléphonie fixe standard. Mais elle va aussitôt plus loin en introduisant progressivement sur le marché de la téléphonie sans fil, avec les technologies IP sans fil adéquates, comme Wi-Fi ou WiMax. Lorsque l utilisateur n a pas accès à un réseau IP, des terminaux hybrides lui permettent de basculer d un réseau IP vers le réseau téléphonique classique. En quelque sorte, la transition vers un réseau entièrement IP se fait en douceur. Les contraintes de cette nouvelle technologie n en sont pas moins nombreuses, de même que les verrous à lever, en termes de disponibilité, de qualité de service, de sécurité et de mobilité. Ces contraintes sont à évaluer différemment selon le type de communication considéré. Un service de téléphonie ne peut s accommoder d une piètre qualité d écoute sous peine d être inutilisé. Il nécessite des ressources optimales. Le contrôle et la maîtrise des communications téléphoniques sur IP sont donc des enjeux colossaux pour favoriser l essor de cette technologie.

4 Avant-propos VII Objectifs de l ouvrage L objectif de ce livre est de faire comprendre, par la théorie et par la pratique, pourquoi la téléphonie sur IP peut être considérée aujourd hui comme mature et en quoi elle peut avantageusement remplacer la téléphonie standard de type RTC. Cela n implique pas que les services exploitant cette technologie soient toujours à la hauteur des attentes des utilisateurs. Simplement, les protocoles dédiés à la gestion des flux multimédias sont disponibles et éprouvés pour satisfaire toutes ces exigences. Toutes les conditions sont réunies pour valoriser ce potentiel et faire de la ToIP une technologie dominante, en phase avec les besoins de tout type. Cet ouvrage s adresse à un large public, aux professionnels comme aux particuliers. Il peut être lu et compris par toutes les personnes qui désirent découvrir ou approfondir les vastes possibilités qu offre la ToIP. Certains chapitres visent davantage des débutants, d autres des étudiants, d autres encore des professionnels du domaine. De nombreux chapitres sont indépendants et peuvent être lus de façon non linéaire, sans nécessiter de connaissances préalables, tandis que d autres requièrent des bases plus techniques, que l ouvrage apporte de façon progressive. Organisation de l ouvrage Ce livre se compose de deux grandes parties et d une conclusion. La première partie est dédiée aux notions fondamentales de la ToIP. Elle expose ses fondements théoriques et couvre un vaste état de l art des normalisations adoptées pour le contrôle et la gestion du multimédia en général et de la voix sur IP en particulier. Elle détaille l ensemble des spécificités des flux de téléphonie sur IP et s attarde sur les architectures déployées ainsi que sur la manière dont les communications sont établies entre les interlocuteurs. Après une présentation de la problématique et des contraintes de la ToIP (chapitres 1 et 2), les trois principaux protocoles de signalisation, que sont H.323, SIP et MGCP, sont détaillés (chapitres 3, 4 et 5). Nous évoquons ensuite la qualité de service (chapitre 6), l architecture de sécurité (chapitre 7), autant de points cruciaux pour une application aussi sensible que la téléphonie. La deuxième partie rassemble plusieurs composants disparates qui constituent un reflet de ce que recouvre aujourd hui la ToIP dans la pratique. Les logiciels de téléphonie sur IP (ou softphones) en sont une composante importante, que nous présentons de manière générale (chapitre 8), avant de mettre l accent sur les plus connus, tels que Skype (chapitre 9), WLM et Yahoo! Messenger (chapitre 10) puis Jabber et Google Talk (chapitre 11). Bien que certains d entre eux n ambitionnent pas directement de traiter de la téléphonie, ils en sont les vecteurs, et nous verrons qu ils ne respectent pas toujours les protocoles de la standardisation.

5 VIII Téléphonie sur IP Asterisk constitue également une tendance marquée de ces dernières années. Ce logiciel impressionnant permet de réaliser à moindre coût, dans un cadre industriel comme domestique, un commutateur téléphonique, ou PBX, avec une gamme de services associés, tels que la redirection d appel, le répondeur téléphonique ou la conférence audio. Il initie une petite révolution dans le monde des télécoms, en remplaçant un modèle opaque par un modèle ouvert, ce qui permet une large démocratisation des techniques mises en œuvre. Toutefois, ses bases demeurent encore délicates à comprendre. C est pourquoi nous consacrons un long développement (chapitre 12) sur cette thématique afin de fournir au lecteur les éléments clés du fonctionnement d Asterisk. Nous détaillons ensuite les offres de ToIP des FAI (chapitre 13) et présentons les techniques utilisées pour traverser les pare-feu et les NAT (chapitre 14), un sujet important compte tenu du fait que le NAT reste très employé, chez les particuliers comme chez les professionnels. La troisième partie de l ouvrage revient sur les cinq questions clés à se poser avant de passer à la téléphonie sur IP et offre, en conclusion, une vision des futurs développements attendus (chapitre 15). En particulier, et c est la grande nouveauté de cette deuxième édition, l IMS est longuement développé en fin d ouvrage (chapitre 16). Nous espérons que cette deuxième édition, plus riche en contenu que la précédente et actualisée, reflète les principales problématiques, technologies et tendances, actuelles et à venir, de la téléphonie sur IP, et permette de mieux comprendre les caractéristiques et les enjeux afin d en être, comme utilisateurs avertis ou fournisseurs de services, les acteurs de demain.

6 Table des matières Avant-propos Objectifs de l ouvrage Organisation de l ouvrage V VII VII PARTIE I Théorie de la ToIP CHAPITRE 1 Problématiques de la ToIP La téléphonie par circuit et par paquets La problématique de base de la téléphonie Comparaison avec la téléphonie classique Avantages de la ToIP Les solutions de ToIP Questions posées par la mise en place de la ToIP en entreprise Conclusion CHAPITRE 2 Contraintes de la ToIP Les contraintes temporelles Le processus de resynchronisation de la parole téléphonique

7 X Téléphonie sur IP La téléphonie numérique L échantillonnage Techniques de codage Les codeurs audio Qualité de service de la ToIP Caractéristiques du débit Le contrôle dans la ToIP Conclusion CHAPITRE 3 La signalisation H Protocoles et normalisation La normalisation UIT Normes d interopérabilité Les six versions de H Architecture et fonctionnalités du protocole H Les quatre entités d une architecture H Le terminal H.323, équipement des interlocuteurs Le gatekeeper, point de contrôle et de gestion La passerelle, pour joindre les réseaux ne fonctionnant pas en mode paquet 60 La MCU et les conférences Les messages H Le protocole H.225.0, signalisation d appel et d enregistrement Le protocole H.245, la signalisation de contrôle de connexion Les autres protocoles Exemple de scénario d une communication complète Fonctionnalités avancées de H La procédure Early H La procédure FastConnect La procédure H.245 tunneling La sécurité Gatekeeper alternatif et gatekeeper affecté Conclusion

8 Table des matières XI CHAPITRE 4 Le protocole SIP La standardisation SIP (Session Initiation Protocol) Historique Compatibilité Modularité Simplicité Architecture de SIP Se connecter à des réseaux non-ip L adressage SIP URI (Universal Ressource Identifier) Format des adresses SIP Localisation et résolution d une adresse SIP Les messages SIP Notion de transaction Paramètres généraux pour les requêtes et les réponses Le champ VIA pour détecter les boucles lors du routage Différence entre Call-Id et CSeq Abréviation des en-têtes de messages Corps d un message Les requêtes SIP Méthodes d extension du protocole SIP Les réponses SIP Scénarios de communication Initialisation d une communication directe Enregistrement d un terminal Initialisation d une communication SIP avec un serveur proxy Localisation par un serveur de redirection et initialisation d appel directe Modification d une communication SIP Terminaison d une communication SIP Conclusion CHAPITRE 5 Le protocole MGCP Historique H.248/MeGaCoP

9 XII Téléphonie sur IP Architecture et fonctionnement Le Call Agent Les passerelles multimédias Raisons d être d un nouveau protocole Exemple d utilisation de MGCP chez les FAI Avantages et inconvénients de MGCP Principes d établissement d une communication Les messages MGCP Adressage des endpoints Identifiant de transaction Paramètres généraux pour les requêtes et les réponses La ligne d état MGCP Les requêtes Les réponses MGCP Conclusion CHAPITRE 6 La qualité de service Le contrôle et les protocoles de transport TCP et le transport de données multimédias temps réel UDP et le transport de données multimédias temps réel En résumé Les protocoles RTP et RTCP RTP (Real-time Transport Protocol) RTCP (Real-time Transport Control Protocol) RTP/RTCP et la qualité de service Les contrôles au niveau réseau IntServ (Integrated Services) DiffServ (Differentiated Services) L ingénierie de trafic Conclusion CHAPITRE 7 Architectures et sécurité La téléphonie sur Ethernet L intégration voix-données

10 Table des matières XIII PARTIE II La téléphonie sur ATM AAL Les microtrames AAL La téléphonie sur le relais de trames Intégration de la téléphonie dans le relais de trame La téléphonie sur réseaux sans fil Contraintes de la ToIP sans fil La qualité de service En résumé La téléphonie sur WiMax WiMax fixe WiMax-Mobile Classes de services WiMax pour la ToIP La sécurité Les attaques Les sécurités à mettre en place Les infrastructures de sécurité La sécurité dans la téléphonie par Wi-Fi Conclusion Pratique de la ToIP CHAPITRE 8 La ToIP sur softphone Introduction aux softphones Les services proposés La téléphonie Liste de contacts, présence et disponibilité Messagerie instantanée Vidéo et transfert de fichiers Les softphones en entreprise Les autres softphones WengoPhone Téléphoner gratuitement d un PC vers un téléphone fixe

11 XIV Téléphonie sur IP Les clients de messagerie Web La téléphonie Free Conclusion CHAPITRE 9 Skype Architecture de Skype Limiter les ressources Traverser les pare-feu Les offres Skype Partenariats technologiques et commerciaux La sécurité Utiliser Skype Prérequis Appeler Outils Aller plus loin avec Skype Ouvrir plusieurs instances de Skype Options en ligne de commande Commandes textuelles Intégrer Skype dans ses pages Web et ses s Recommandations et résolution de problèmes Conclusion CHAPITRE 10 Windows Live Messenger et Yahoo! Messenger Windows Live Messenger La gamme de services unifiés Live WLM (Windows Live Messenger) Utiliser WLM Aller plus loin avec WLM Yahoo! Messenger Utilisation

12 Table des matières XV Le partenariat Microsoft-Yahoo! Conclusion CHAPITRE 11 Jabber et Google Talk Jabber Architecture de Jabber XMPP (extensible Messaging and Presence Protocol) XEP (XMPP Enhancement Proposals) Utilisation Google Talk Une offre à trois volets Utilisation Conclusion CHAPITRE 12 Asterisk Introduction aux PBX Présentation d Asterisk Fonctionnalités Compatibilité Cible et usage Installation de base Mise en œuvre de la plate-forme Lancement du serveur et exploitation Configuration Les quatre catégories d éléments d Asterisk Organisation des fichiers (fichier asterisk.conf) Première étape de configuration : Description des utilisateurs et des terminaux (fichiers sip.conf, iax.conf, mgcp.conf, h323.conf, skinny.conf) Deuxième étape de configuration : le plan de numérotation (fichier extensions.conf)

13 XVI Téléphonie sur IP Tester la configuration d un client Optimiser les traitements La directive d inclusion Logique de programmation Optimisation du routage avec les contextes Et la vidéo? Ajouter des sons Problèmes éventuels avec les modules Ajouter de nouveaux services Standard vocal automatique (IVR) Conférence Le service de messagerie audio (fichier voic .conf) Aller plus loin avec Asterisk Connecter Asterisk à un fournisseur SIP AGI (Asterisk Gateway Interface) Trixbox Communiquer avec le protocole IAX Asterisk sous Windows La concurrence Conclusion CHAPITRE 13 La téléphonie chez les fournisseurs d accès Les accès xdsl Le modem xdsl Ethernet dans le premier mile Les protocoles de l ADSL Le protocole L2TP Les modems VDSL La parole et la vidéo sur xdsl La téléphonie sur CATV La téléphonie sur fibre optique La téléphonie sur Quadruple-Play Conclusion

14 Table des matières XVII CHAPITRE 14 Filtrage des flux de ToIP Le mécanisme de NAT (Network Address Translation) Adresses privées et adresses publiques Partager une adresse IP privée Avantages du NAT Les trois catégories de NAT Le NAT statique Le NAT dynamique Le NAPT Les problèmes engendrés par le NAT Les protocoles sensibles au NAT Recevoir une connexion derrière un NAPT La sécurité avec le NAT En résumé Le passage des pare-feu Méthodes de résolution de la translation d adresse pour les flux multimédias Filtrage applicatif des données Tunneliser les applications La gestion du NAT par le client En résumé Conclusion PARTIE III Conclusion CHAPITRE 15 Les cinq problèmes clés de la ToIP La sécurité L authentification Confidentialité et intégrité

15 XVIII Téléphonie sur IP La disponibilité La gestion Le contrôle La qualité de service GAN Perpsectives Conclusion CHAPITRE 16 L architecture IMS Motivations et objectifs de l IMS Le point de vue opérateur Le point de vue utilisateur Historique de l IMS Introduction à l IMS Protocoles utilisés dans l IMS Notions de réseau visité et de roaming Le modèle à quatre couches de l architecture IMS La couche de transport La couche de contrôle HSS (Home Subscriber Server) : la base de données des utilisateurs CSCF (Call State Control Function) : les trois gestionnaires d appels MRF (Multimedia Resource Function) : pour la gestion des conférences. 429 BGCF (Breakout Gateway Control Function) : pour la liaison avec le réseau RTC IMS-MGW, MGCF et SGW : pour l interfonctionnement avec le réseau RTC TrGW et IMS-ALG : pour le support transparent des adresses IPv Les serveurs d applications SIP AS (SIP Application Server) IM-SSF (IP Multimedia-Service Switching Function) OSA-SCS (Open Service Access-Service Capability Server) Les identités IMS Gestionnaire d identités

16 Table des matières XIX Les extensions du protocole SIP pour IMS Les commandes Diameter Communications avec IMS Enregistrement d un terminal dans le réseau Mise en relation de deux utilisateurs Conclusion PARTIE IV Annexe Références Liens web Sites de vulgarisation de la ToIP Protocoles de ToIP Softphones et dérivés PBX Asterisk Salons sur la VoIP en France Index

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18 Partie I Théorie de la ToIP L objectif de cette partie est de présenter le socle théorique sur lequel repose la téléphonie sur IP. Les deux premiers chapitres évoquent l intérêt et les difficultés soulevées par la ToIP. Le chapitre 1 introduit la problématique de ToIP, c est-à-dire le transport de la parole dans le cadre de la téléphonie, qui implique un processus temps réel. Nous expliquons quels sont les enjeux posés par la voix sur IP, ce à quoi elle peut se substituer et quels bénéfices il est possible d en tirer. Le chapitre 2 détaille les contraintes imposées par la ToIP. Pour être pleinement fonctionnel, un service de téléphonie sur IP a des exigences fortes vis-à-vis des terminaux utilisés comme du réseau exploité. Nous verrons comment caractériser ces contraintes et comment les mesurer. Les trois chapitres suivants présentent les protocoles de signalisation standardisés de la ToIP. Le chapitre 3 décrit le protocole H.323. Celui-ci a longtemps fait office de référence en matière de protocole de signalisation pour le multimédia en général, et pour la téléphonie sur IP en particulier. Porteur d un fort héritage du monde des télécoms, il s est imposé sur le marché. Nous montrons sur quelle architecture il repose et comment s effectuent les communications qu il met en place. Le chapitre 4 décrit le protocole SIP, concurrent du protocole H.323 et disposant d atouts remarquables qui favorisent son émergence. Nous montrons pourquoi ce protocole est en passe de détrôner H.323, pourquoi il s intègre mieux dans un réseau IP, comment il simplifie les communications et comment on l utilise. Le chapitre 5 décrit le protocole MGCP, un autre protocole de signalisation, qui est complémentaire de H.323 et SIP. Par sa vision d opérateur et en offrant la faculté de concentrer l intelligence du réseau au sein d entités spécialisées, le protocole MGCP s est imposé, tant et si bien que ses évolutions peinent à justifier leur utilité. Nous montrons en quoi le protocole MGCP allie simplicité et puissance et de quelle manière il fonctionne. Les deux derniers chapitres de cette partie s intéressent aux questions de qualité de service, d architectures réseau et de sécurité.

19 Le chapitre 6 expose les différents protocoles et technologies permettant de mettre en place une gestion de la qualité de service pour la téléphonie sur IP. La qualité de service apportée aux flux de parole téléphonique est primordiale. Nous détaillons les protocoles à mettre en œuvre pour la maîtriser dans un réseau. Le chapitre 7 fournit les principales caractéristiques des architectures réseau dédiées à la ToIP et présente quelques notions importantes relatives à la sécurité de la téléphonie sur IP. Les flux téléphoniques pouvant emprunter un réseau partagé par d autres catégories de données, nous indiquons, selon les types de réseaux, quelles sont les adaptations à considérer et comment faire pour protéger les flux de parole téléphonique.

20 1 Problématiques de la ToIP La téléphonie est un des moyens de communication préférés des êtres humains, et le nombre de terminaux téléphoniques vendus dans le monde ne cesse d augmenter. La figure 1.1 illustre le nombre de terminaux pouvant servir de terminal téléphonique. On peut noter que le nombre des terminaux mobiles dépasse largement celui des terminaux fixes. On peut également noter que le nombre de terminaux fixes continue d augmenter, quoique nettement moins que celui des mobiles. La figure indique en outre le nombre de terminaux, fixes ou mobiles, intégrant des fonctions multimédias. Toutes ces courbes révèlent la croissance globale de la téléphonie. Figure 1.1 Abonnés aux réseaux de télécommunications (source UMTS Forum) Abonnés mondiaux (en millions) Mobiles ordinaires Abonnés téléphonie fixe Abonnés Internet fixe Mobiles multimédia