01/06/2004. Jonathan WEISBERG Ecole Supérieure Génie Informatique ESGI 28, rue du plateau Paris. Multimédia sur IP.

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1 01/06/2004 Jonathan WEISBERG Ecole Supérieure Génie Informatique 28, rue du plateau Paris Multimédia sur IP Page 1 sur 56

2 Plan 1. Introduction Évolution technologique Contraintes temps- réponses Streaming Streaming unicast Streaming multicast Voix et multimédia sur IP Concept basé sur H Concept basé sur SIP (Session Initiation Protocol) Concept basé sur MGCP (Media Gateway Control Protocol) Support de transmission Réseau à intégration de services RNIS accès de base : L interface U : Réseaux xdsl Définition de la modulation QAM Définition de la modulation CAP Définition de la modulation DMT Réseaux câblés Réseaux UMTS Qualité de service (QoS) Les équipements côté réseaux : Alcatel, Cisco Alcatel L interconnexion de passerelles de jonction Multimédia sur accès à large bande L accès mobile UMTS Cisco Système de visioconférence sur IP Multimedia Conference Manager Serveur vidéo sur IP Les équipements côté client : NetMeeting, MSN Messenger, GnomeMeeting Netmeeting et MSN Messenger GnomeMeeting Installer et configurer GnomeMeeting Méthode Woody Méthode Sid Régler le mixer Utiliser GnomeMeeting à deux Utiliser GnomeMeeting à plusieurs Installer et lancer le serveur de conférences Se connecter au serveur Screenshots Un exemple de solution Le coût Conclusion Bibliographie Mémoire : Multimédia sur IP Page 2 sur 56

3 1. Introduction 1.1. Évolution technologique De nos jours, les réseaux de télécommunications représentent la dorsale informationnelle des entreprises et, par conséquent, de l'économie. Le monde du 21 ième siècle se voit- être un monde de communication. Grâce à ces réseaux, les échanges d informations se sont accrus considérablement. Depuis sa création, le réseau des réseaux n a pas cessé de se développer et par la même d introduire des nouveaux services, profitant à son nombre colossale de connectés. Désormais, viennent aujourd hui s ajouter aux simples images et textes, la voix et la vidéo Contraintes temps- réponses Au niveau de l architecture du réseau, on peut distinguer deux parties : Une de transit qui se situe au niveau WAN 1, tous les différentes technologies de transmissions y sont regroupées. Une d accès se situant du côté ses usagers, LAN 2. 1 Wide Area Network 2 Local Area Network (source [SCI04]) Mémoire : Multimédia sur IP Page 3 sur 56

4 L intégration de plusieurs services par l intermédiaire d un même réseau, doit satisfaire à un faisceau d'exigences, souvent contradictoires. Le réseau unique doit permettre une qualité de service pouvant- être contradictoire entre les différentes applications. Le principal dilemme est la priorisation des applications en temps réel par rapport au transfert de données. Le service de parole nécessite un débit constant avec une contrainte de temps de bout en bout, alors que le service de données requiert uniquement un fort débit, celui-ci est asynchrone. La téléphonie et les applications multimédias de communication synchrone requièrent des caractéristiques temps réel. Le temps total de transfert de l'information entre deux interfaces d'usagers ne devrait pas dépasser 200ms sur une liaison intercontinentale, codage de l'information compris (source [SIC04]). Cette exigence ne peut pas être satisfaite par les réseaux IP conventionnels, sans mécanisme de contrôle de la qualité de service. De telles applications fonctionnent généralement avec un débit constant (par exemple 64kbits/s pour la parole). Elles tolèrent sans difficulté un temps d'établissement de la communication de plusieurs centaines de ms, ce qui est trop long. Le transfert de données et les applications Internet traditionnelles, étant asynchrones, sont beaucoup plus tolérantes. Elles génèrent des débits variables, de quelques bits/s à plusieurs Mbits/s. Elles sont, par contre, très sensibles au temps d'établissement de la communication. Différentes qualités de service peuvent être implémentées sur les réseaux IP. La version la plus simple est la qualité Best effort, ne gérant aucune gestion de la qualité (source [SIC04]). Ce cas est le plus répandu dans les Intranets et il est généralisé sur l'internet. A l'autre extrême, les réseaux IP peuvent offrir un service garanti, avec réservation de ressources. Mémoire : Multimédia sur IP Page 4 sur 56

5 La figure ci-dessous livre une vue d'ensemble des diverses qualités de service et des mécanismes mis en oeuvre pour y parvenir. Il aborde les mécanismes mis en oeuvre tout au travers du réseau, entre ses points d'extrémité. Or pour offrir une qualité de service donnée, il s avère impératif de mettre en place un mécanisme à multi-couche. A titre d'exemple, la mise en oeuvre de services synchrones pour des applications en temps réel, comme la téléphonie, requiert non seulement l'usage des protocoles RTP/RTCP, mais également des mécanismes de priorisation et de réservation des ressources dans les couches inférieures. Type de service sur les réseaux IP (source [SIC04]) 1.3. Streaming La notion de streaming n'a pas vraiment de traduction française. Cette notion se rapproche plus proche de la livraison de données dit en flux tendu. Le serveur segmente la vidéo en paquets susceptibles d'être diffusés sur le réseau. Ces paquets sont ensuite assemblés par le client afin de reconstituer la vidéo. Pour commencer, il est nécessaire de distinguer deux types de streaming l unicast et le multicast. Mémoire : Multimédia sur IP Page 5 sur 56

6 Streaming unicast Le client contact le serveur de streaming grâce au protocole RTSP (décrit au cours de la partie sur les protocoles). En réponse à cette requête, le serveur retourne via RTSP une description de la session de streaming qu'il va ouvrir. Une session de streaming se compose d'un ou plusieurs flux (audio ou vidéo). Le serveur informe le client du nombre de flux. Il renseigne aussi des informations décrivant les flux comme le type du média et le codec de compression. Les flux sont quant à eux diffusés séparément via le protocole RTP (décrit au cours de la partie sur les protocoles). (source [GUI04]) Principe de la méthode unicast (source [GUI04]) Mémoire : Multimédia sur IP Page 6 sur 56

7 Streaming multicast Dans le cas du streaming multicast, une seule copie de chaque flux est envoyée sur chaque branche du réseau, ce qui permet de réduire considérablement le trafic lors d'une diffusion pour de nombreux clients. Une diffusion multicast est annoncée par un ficher SDP (Session Description Protocol) qui est téléchargé à partir d'un serveur web classique (Apache, IIS,...). Ce fichier contient les informations nécessaires pour recevoir le flux multicast, adresse IP du serveur, numéro du port et les informations de description des flux (même informations que celle envoyées par RTSP dans le cas d'une diffusion unicast). (source [GUI04]) Figure décrivant la méthode multicast (source [GUI04]) Mémoire : Multimédia sur IP Page 7 sur 56

8 2. Voix et multimédia sur IP Jusque vers le milieu des années 90, les organismes de normalisation ont tenté de transmettre les données de manière toujours plus efficace sur des réseaux conçus pour la téléphonie. A partir de cette date, il y a eu changement de paradigme. C'est sur les réseaux de données, en particulier sur l'internet, que l'on s'est évertué à convoyer la parole. Il a donc fallu développer des algorithmes de codage audio plus tolérants et introduire des mécanismes de contrôle de la qualité de service dans les réseaux de données. (sources [STR03] et [FIN03]) (source [SIC04]) La communication multimédia est possible sur divers types de réseaux. Afin d'assurer la compatibilité entre applications, l'uit (Union Internationale des Télécommunications) et l'ietf (Internet Engineering Task Force) ont élaboré des familles de standards regroupés sous les appellations génériques H.32x, SIP (Session Initiation Protocol) et MGCP (Media Gateway Control Protocol). Mémoire : Multimédia sur IP Page 8 sur 56

9 Il s agit d exploiter pleinement les protocoles existants, comme le protocole d ouverture de session (SIP) ou le protocole H.323 pour le contrôle, le routage et l admission des appels. Le choix SIP ou de H.323 dépendra de la technologie dont dispose l opérateur. Le garde-barrière (gatekeeper ou serveur d appels), qui fait partie du plan application, est responsable du contrôle d admission par appelle pour le réseau IP : H.323 est une norme générale qui englobe un ensemble d autres normes : H.225 pour l inscription et l autorisation, H.225 pour l établissement d appel et H.245 pour l échange de capacités et l établissement d une session de média. Les messages SIP, comme INVITE, contiennent généralement des informations d acheminement d appel (par exemple, utilisateurb@domaine_nom), l adresse de la machine hôte (adresse IP et numéro du port sur lequel l expéditeur du message souhaite recevoir le flux multimédia), l identité de l usager et des preuves d identité ainsi que les capacités de média comme les types de codecs acceptés. L indication (dans le message SIP) du type de codec permet de négocier les capacités entre les extrémités. (source [ALC04]) Mémoire : Multimédia sur IP Page 9 sur 56

10 2.1. Concept basé sur H.323 Avec H.323, l'uit a spécifié un environnement complet de protocoles de communication multimédias pour les réseaux IP. L'inter-fonctionnement avec les autres réseaux est garanti car des standards apparentés ont été conçus : H.320 pour le RNIS et H.324 pour le réseau téléphonique analogique. H.323 est supporté par la quasi-totalité des constructeurs. Il est, pour cette raison, très largement utilisé comme protocole d'inter-fonctionnement. (source [HSC04]) Architecture des protocoles selon H.323 : (source [SIC04]) Dans un environnement H.323, l'établissement de la communication est effectué au moyen du protocole Q.931, le même que dans le RNIS. Le protocole RAS 3 sert à l'enregistrement des équipements terminaux et au contrôle d'admission à la communication. H.245 permet de commander les applications de bout en bout. Les applications de données se servent de T.120, alors que l'audio et la vidéo disposent de plusieurs types de codecs. 3 Registration, Admission and Status Mémoire : Multimédia sur IP Page 10 sur 56

11 La figure ci-dessous illustre la procédure d'établissement d'une communication multimédia point à point dans un environnement IP. La première phase se sert du protocole H.225/RAS. Le terminal qui lance l'établissement requiert, au préalable, l'autorisation de la part du portier. Ensuite, par l'intermédiaire du protocole Q.931, il ouvre la connexion vers le partenaire. Le partenaire doit également demander son admission au portier, avant de confirmer l'établissement de connexion. Lorsque les deux terminaux ont achevé la phase de connexion, une phase d'échange de paramètres, basée sur H.245, se déroule. Aussitôt que le canal logique est disponible, la communication audio et vidéo peut débuter. Elle utilise les protocoles RTP 4 et RTCP 5. (source [URE04]) La libération de connexion H.323 débute par une phase de déconnexion entre points d'extrémités. Ensuite, chaque terminal informe le portier de la fin de la communication. Les ressources du réseau sont, dès lors, à nouveau disponibles pour l'ensemble des usagers. (source [FIN04]) 4 Real Time Protocol 5 Real Time Control Protocol Mémoire : Multimédia sur IP Page 11 sur 56

12 Établissement de connexion au moyen du protocole H.323 : (source [SIC04]) Mémoire : Multimédia sur IP Page 12 sur 56

13 Libération de connexion dans H.323 : (source [SIC04]) Mémoire : Multimédia sur IP Page 13 sur 56

14 2.2. Concept basé sur SIP (Session Initiation Protocol) SIP est un protocole de signalisation simple pour les applications de téléphonie et de conférence sur Internet. SIP a été développé par l IETF, à l intérieur du groupe MMUSIC 6. SIP est actuellement à l état d être proposé comme standard, publié dans la RFC (source [COL04]) SIP fournit les mécanismes protocolaires nécessaires pour que les machines et des serveurs peuvent fournir les services suivants : redirection d appel, incluant : les appels de type 700, 800 ou 900 ; redirection en cas de non réponse ; redirection du détection de signal occupé ; redirection non conditionnelle ; d autres services de translation d adresse ; affichage du numéro de l appelant ; gestion de la mobilité (possibilité de joindre la personne appelée, même en cas de changement de terminal) ; négociation du type de terminal et sélection (téléphone Internet, téléphone portable, répondeur, etc ) négociation des possibilités du terminal ; authentification des l appelant / de l appelé ; transfert d appel ; conférences en mode multicast SIP permet de joindre les utilisateurs par des adresses de type , et réutilise l infrastructure du courrier électronique comme les enregistrements DNS MX 7 ou les messages SMTP EXPN. Des adresses SIP (URLs) peuvent également être incluses dans des pages WEB. SIP n exige qu un service en mode datagramme, qui peut être non fiable, intégrant ses propres mécanismes de fiabilité de fonctionnement. Etant utilisé typiquement au dessus d UDP ou de TCP, SIP peut être utilisé au dessus d IPX ou d autres protocoles. 6 Multiparty Multimedia Session Control 7 Microsoft exchange (serveur de mail) Mémoire : Multimédia sur IP Page 14 sur 56

15 L'échange des messages de signalisation et de contrôle du protocole SIP est effectué sous la forme de transactions. Il est apparenté au protocole HTTP. Une transaction est composée d'une requête et d'une réponse. Les requêtes sont toujours émises par un client et les réponses par un serveur. Cette même structure client- serveur va se retrouver dans les terminaux, le serveur d'enregistrement, le proxy et le serveur de redirection. (source [ITEL04]) Architecture des protocoles selon SIP : (source [SIC04]) Mémoire : Multimédia sur IP Page 15 sur 56

16 Établissement et libération d'une connexion au moyen du protocole SIP : (source [SIC04]) Mémoire : Multimédia sur IP Page 16 sur 56

17 Dans la figure ci-dessus, la demande d'établissement contient les adresses de destination et de source en format SIP, de même que les paramètres c et m. Le paramètre c définit les coordonnées pour le flux audio qui sera émis vers l'usager Frey. Ce flux sera transmis au moyen du protocole IP version 4, vers l'adresse IP Le paramètre m indique qu'il s'agit d'un flux audio qui utilisera le port UDP et le protocole RTP. Il requiert l'algorithme de codage audio G (valeur 4). Dans le sens opposé, le codage audio est de type GSM (valeur 0) Concept basé sur MGCP (Media Gateway Control Protocol) Le protocole MGCP sert à l'échange de message de signalisation entre un contrôleur de passerelles de médias et des passerelles réparties dans un réseau IP. Pour l'établissement et la libération des connexions, MGCP se sert de signaux et d'événements. La standardisation de MGCP a été stoppée pour faire place à MEGACO 8 /H.248, protocole élaboré en collaboration entre l'ietf et l'uit. Ce nouveau standard n'étant pas dérivé de MGCP, la migration vers MEGACO/H.248 semble très difficile. Architecture des protocoles selon MGCP : (source [SIC04]) 8 MEdia GAteway COntrol protocol Mémoire : Multimédia sur IP Page 17 sur 56

18 Dans l'exemple de la figure ci-dessous, une connexion entre deux réseaux RNIS transite par un réseau IP. Le contrôleur de passerelles contient également la fonctionnalité de passerelle de signalisation. Les passerelles de médias convertissent les flux de paquets IP contenant le signal audio en des flux synchrones à 64kbit/s, et inversement. La signalisation mise en oeuvre entre le RNIS et la passerelle de signalisation est basée sur le système de signalisation no7 (SS7). La commande des passerelles de médias est faite au moyen du protocole MGCP. Suite au message d'établissement IAM (Initial Address Message) du protocole SS7, le contrôleur de passerelles ordonne l'ouverture d'une connexion avec les messages CRCX (Create Connection) et transmet le message IAM vers sa destination. L'ouverture de connexion est confirmée avec les messages ACK (Acknowledge). Le message MDCX (Modify Connection) permet de transmettre à la passerelle de gauche le numéro de port UDP choisi par la passerelle de droite. Les messages ACM (Address Complete) et ANM (Answer Message) du SS7 permettent d'indiquer de bout en bout que la sonnerie retentit, respectivement, que l'usager appelé a répondu. La libération de la connexion est effectuée au moyen des messages DLCX (Delete Connection) et ACK, pour le protocole MGCP, et de REL (Release) et RLC (Release Complete), pour le SS7. Mémoire : Multimédia sur IP Page 18 sur 56

19 Établissement et libération de connexion au moyen du protocole MGCP : (source [SIC04]) Mémoire : Multimédia sur IP Page 19 sur 56

20 3. Support de transmission Le développement fulgurant du domaine multimédia et, en particulier, d'internet entraîne une augmentation de la demande en capacité de transmission à haut débit. Une des principales difficultés réside dans le choix du support physique et de la technique de transmission de l'information sur les derniers kilomètres du réseau d'accès. Diverses solutions existent sur le marché, d'autres sont en cours de développement Réseau à intégration de services Le Réseau Numérique à Intégration de Services est un réseau de télécommunication qui offre d'une part la possibilité d'établir des communications numériques de bout en bout et d'autres parts de nombreux services incluant le transport de la voix, des données et des images sur un même support de transmission. L'un des principes du RNIS est de séparer les informations de signalisation, permettant d établir les communications, et les informations liées au transfert des données. Les informations liées à la signalisation sont transportées dans un canal de signalisation spécifique dit "canal D". Le transfert des informations se fait alors dans des canaux spécifiques dits "canaux B". Les canaux B peuvent alors véhiculer de la voix ou des données en fonction de l'application mise en oeuvre. La notion de canal est à comprendre comme notion d'intervalle temporel alloué à un type d information. (source [WAV04]) Mémoire : Multimédia sur IP Page 20 sur 56

21 RNIS accès de base : La technologie RNIS est une technique d exploitation de la boucle locale qui offre un service numérique capable de transporter de la voix, des donnés et de la vidéo bas débit et ce sur la paire de cuivre standard d une ligne téléphonique. L'accès de base est constitué de deux canaux B à 64kbits/s, résultant de la modulation PCM 9, pour le transport de la voix et des données et d'un canal D à 16kbits/s utilisés, pour le transport de la signalisation entre l usager et le central de raccordement, ou de données sous forme de paquets. L'ensemble offre une interface dite Accès de base ou "2 B + D". Le rajout d'informations de maintenance donne un débit de 160kbits/s à l'interface U, c'est-à-dire entre la terminaison numérique de réseau installé. (source [WAV04]) Des lignes bifilaires sont adaptées au transport de l accès de base, leur longueur peut atteindre dix kilomètres. Cependant au sein des bâtiments se trouvent deux topologies (source [SIC03]) : Le bus passif court permettant de raccorder jusqu'à huit terminaux librement répartis sur une distance de 100 à 200 mètres, dépendant de la qualité du câble choisi. Le bus passif prolongé permet de raccorder les terminaux jusqu'à une distance de près de mètres. Ces derniers doivent être regroupés sur les 50 derniers mètres. Exemple de raccordement d usager RNIS (source [SIC 03]) 9 Pulse Code Modulation Mémoire : Multimédia sur IP Page 21 sur 56

22 Exemple d accès de base (source [WAV04]) L interface U : L'interface U représente le point d'interface entre la terminaison numérique de réseau installée au niveau de l'installation d'abonnés et la terminaison de ligne côté réseau opérateur. L'interface U caractérise le lien de transmission composé d'une paire de cuivre et reliant le réseau opérateur à l'installation d'abonnés. Ce lien est aussi dénommé Boucle Locale. Cette interface utilise une technique à annulation d'écho afin de transmettre et de recevoir les informations sur la même paire de cuivre. Le code en ligne utilisé est principalement le code dit "2B1Q" pour deux binaires, un quaternaire. Ceci signifie qu'un symbole quaternaire (un codage sur quatre états) permet de coder et transmettre 2 bits d'information. (source [WAV04]) La bande passante nécessaire à la transmission des 160 kbits/s se trouve donc divisée par deux (80 khz). (source [WAV04]) Mémoire : Multimédia sur IP Page 22 sur 56

23 3.2. Réseaux xdsl Les réseaux xdsl ont pour d augmenter le débit des communications sur le réseau téléphonique existant, par la mise en œuvre de nouvelles techniques de traitement du signal. Pour l'xdsl, la clé réside dans la modulation. En fonction de la donnée à traiter la porteuse haute fréquence est traitée de différentes façons, les techniques Carrier Amplitude/Phase Modulation (CAP) et Discret Multitone Modulation (DMT) sont ainsi utilisées. Ces deux techniques utilisent une modulation en phase et en amplitude (QAM). Ces techniques sont apparues en complément des techniques de codage 2B/1Q, utilisées notamment pour le RNIS. Codage 2B/1Q Cette technique de codage est apparue pour permettre d'augmenter la distance maximale de transmission nécessaire pour l'introduction du réseau RNIS. Le codage 2B/1Q fait correspondre à un groupe de deux éléments (2 bits:2b) un créneau de tension, dit symbole quaternaire (1Q), pouvant prendre 4 valeurs différentes. Dans le cadre du développement du RNIS, chacun de ces symboles quaternaires est émis à une vitesse de modulation de bauds/s ou encore symboles/s. Ceci permet un débit de 160kbps. Pour améliorer ce débit, tout en conservant les caractéristiques du codage 2B/1Q, la technologie HDSL autorise une vitesse de modulation de bauds/s permettant un débit symétrique supérieur à 1 Mbits par paire téléphonique. Ainsi en couplant deux paires torsadées, le débit obtenu est compatible avec les équipements existant des lignes E1 européennes. (source [DSL04]) Cependant, cette technologie est à bande de base; elle transmet les informations à partir de 0 Hertz. Il est donc impossible de transmettre simultanément les données et le service téléphonique sur une même ligne (ce dernier service occupant la bande de fréquence de 0 à 3,4kHz cependant les câbles installés par les opérateurs ne permettent que véhiculer des informations dans la plage des 300Hz-3,4kHz). (source [ADS04]) Mémoire : Multimédia sur IP Page 23 sur 56

24 Définition de la modulation QAM La modulation QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ou modulation d amplitude en quadrature de phase est une technique qui emploie une combinaison de modulation de phase et d amplitude. Elle est largement employée par les modems pour leur permettre d offrir des débits binaires élevés et permet une augmentation importante de la bande passante. Une amplitude et une phase correspondent ainsi à un état, en théorie, il est alors possible de transmettre de 1 à 6bps/Hz L'utilisation de la modulation en amplitude et en phase a permis une amélioration sensible de la transmission de données. " En effet, à la différence du 2B/1Q, les codes CAP et DMT, dérivées du QAM, sont typiquement passe-bandes et peuvent être conçues pour opérer sur une bande de fréquence spécifiée. Ceci va permettre de séparer les canaux réservés à la ligne téléphonique, la réception et l'émission. " (source [DSL04]) Définition de la modulation CAP Développée en parallèle au codage 2B/1Q, l entreprise américaine AT&T a développé le CAP, permettant de coder jusqu'à 9 bits par symbole. La même quantité d'informations peut alors être transmise sur une bande de fréquence réduite, amenant une diminution de l'atténuation et une distance maximale plus grande. Cette technique reste très proche de la QAM. Elle se différencie par l écriture en mémoire de certaines parties du signal modulant avant de les réassembler sur le signal modulé. La porteuse n'est pas transmise, puisqu'elle ne contient aucune information d'ou l'appellation carrierless. Mémoire : Multimédia sur IP Page 24 sur 56

25 Définition de la modulation DMT Défini par l ANSI (American Standards Institute), choisie afin d être utilisée par l ADSL, cette technique de modulation consiste à diviser la bande passante en sous- bandes distingues. Ces sous- bandes reçoivent une modulation de type QAM et sont transmises en parallèles. Dans sa version T1.413, 256 porteuses sont utilisées pour le canal de réception, les sousbandes disposant d une bande passante de 4Khz. (source [DEP04]) Chacune des 256 porteuses peut être modulée de 0 à 15 bps/hz, ce qui permet un débit de 60kbps pour chacun de ces canaux de transmission. En émission, la norme spécifie l'utilisation de 20 porteuses. Le débit est alloué de manière à optimiser le débit de chaque sous- bande, la transmission est ainsi adaptée aux caractéristiques de la ligne téléphonique. Le nombre de bits porté sur chaque porteuse est variable, les capacités internes de transport de chaque sous- porteuse variant en fonction de leur fréquence. Plus la fréquence est élevée et plus l'atténuation est importante, ceci permet aux fréquences les plus basses de transmettre le plus d'information. De plus, on fait varier le nombre de bits par porteuse en fonction des conditions de transmission, en plaçant un nombre plus important de bits sur les canaux les plus robustes. (source [DSL04]). (source [DSL04]) Mémoire : Multimédia sur IP Page 25 sur 56

26 3.3. Réseaux câblés Exemples d accès réseau xdsl (source [SIC04]) A l'origine, l'infrastructure de télévision par câble a été développée afin de transporter les signaux les signaux vidéo dans une seule direction, méthode appelée broadcast. La structure du réseau est hiérarchique et en forme d'arbre. La station de tête représente la racine de l arbre. Elle se compose généralement de plusieurs types d'antennes et éventuellement d'une liaison par fibre optique pour la réception des programmes de télévision et radio par satellites et terrestres. Elle peut également renfermer des équipements pour la diffusion de programmes locaux ou de programmes enregistrés (source [SIC04]). Le transport des données numériques est effectué dans la bande inférieure à 40 MHz aux Etats-Unis, respectivement à 60 MHz en Europe (sachant que la largeur de bande totale exploitée, pour la télévision analogique est de 300, 450, 550 ou 850MHz) pour la direction qui va de l'usager vers la station de tête (upstream). Cette bande de fréquences n'est pas utilisée pour la diffusion de programmes TV ou radio. Le transport des données dans l'autre direction (downstream), occupe un ou plusieurs canaux TV libres. Le canal upstream travaille en rafale et utilise un multiplexage temporel, plusieurs modems convoient les informations dans la même gamme de fréquences. Le canal downstream est divisé en trames selon la norme MPEG. Le flux de données est continu et est réémis par tous les modems (source [SIC04]). Mémoire : Multimédia sur IP Page 26 sur 56

27 Exemple de canaux numériques upstream et downstream (source [SIC04]) Débits en fonction du type de modulation (source [SIC04]) Pour étendre le réseau le câble coaxial principal ainsi que les amplificateurs du tronçon se voient remplacés par de la fibre optique. Ce réseau hybride, composé de fibre optique et de câble coaxial, est appelé réseau HFC (Hybrid Fiber/ Coax). Il est nécessaire de savoir que son investissement est important, puisqu'il faut de nouvelles infrastructures de conversion des signaux optiques en signaux électriques et réciproquement. De plus, des travaux de génie civil sont nécessaires pour poser les fibres optiques dans le sol. Le réseau HFC permet d'étendre la bande passante, atteignant des valeurs de 750 à 850 MHz, voire 1 GHz, tant que les amplificateurs de ligne de la partie coaxiale le permettent. Mémoire : Multimédia sur IP Page 27 sur 56

28 Architecture d un réseau câblé bidirectionnel (source [SIC04]) Architecture du réseau HFC (source [SIC04]) Mémoire : Multimédia sur IP Page 28 sur 56

29 3.4. Réseaux UMTS Troisième génération des télécommunications mobiles et sans fil, les réseaux UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), seront capables de fournir des services multimédia à haut débit (jusqu à 2 Mbits/s), normalisée par l organisme 3GPP. De part le nombre colossale d abonnés aux services gsm (on en comptait 700 millions en 2002 sur 600 réseaux, (source [SIC04])). Les opérateurs gsm ne désirent pas d une toute nouvelle architecture, mais préfèrent faire évoluer le réseau existant vers l UMTS. Le transport des services donnée et voix à faible débit continuera à s effectuer par le réseau gsm, seul les applications multimédias seront réservées à la bande passante de l UMTS. Cette architecture possède des structures hiérarchiques de différentes tailles (source [SIC04]) : Cellule domestique: son rayon d'action est de 20 mètres. Elle se compose d'une unique station utilisée par un seul abonné privé, à domicile ou dans un petit bureau. elle offre simultanément des services à commutation de paquets à 384 kbit/s, à commutation de circuits avec un canal multimédia à 128 kbits/s et 1 canal pour la voix à 16 kbits/s. Pico-cellule: elle est utilisée dans les zones à haute densité telles que des bureaux. elle est prévue pour des usagers à faible mobilité, mais utilisant des services à haut débit et multimédias. Son rayon d'action maximal est de 100 mètres. Micro-cellule: destinée à des quartiers ruraux, pour des usagers à mobilité réduite. Elle fournit une capacité de communication supplémentaire là où les macro- cellules sont saturées. Son rayon d'action est de 1 km. Macro-cellule: il s'agit d'une cellule à large rayon d'action, en moyenne de l'ordre de plusieurs kilomètres. La densité de trafic y est moyenne, elle supporte des usagers mobiles, à vitesse élevée, et offre des services à bande étroite (elle devrait typiquement servir aux zones rurales). Mega-cellule: ce type de cellule, de très grande dimension, se sert d'une couverture par satellite, elle sera mise en oeuvre dans des zones où le trafic est très faible. Les réseaux UMTS doivent- être capable de coexister avec les réseaux actuels de seconde génération (gsm 900, gsm 1800). Mémoire : Multimédia sur IP Page 29 sur 56

30 Exemples de débits attendus par l UMTS (source [SIC04]) Mémoire : Multimédia sur IP Page 30 sur 56

31 4. Qualité de service (QoS) Pour pouvoir assurer une bonne transmission, on doit faire attention à certains paramètres liés à la qualité de transmission ; appelé qualité de service (Quality of Service). Pour cela prenons la voix comme exemple, laquelle engendre le plus de contraintes de qualité. Plusieurs paramètres sont nécessaires : - Le traitement de la voix (qualité de codage ou de compression), - Le délai de transmission - La gigue - Le phénomène d'écho Quelques indicateurs permettant de mesurer la qualité de service : La qualité du codeur A l'émission, la voix est codée et compressée avant d'être encapsulée dans les paquets IP. La taille du paquet est un compromis entre la nécessité de réduire le délai de transmission et l optimisation de la bande passante. Les codeurs rencontrés dans les applications de voix sur IP se sont développés dans des axes très variés. On distingue trois grandes catégories : - Les techniques temporelles (avec des débits compris entre 16 et 64 kbits/s) ; - Les techniques paramétriques (avec des débits compris entre 2,4 et 4,8 kbits/s) ; - Les techniques par analyse et synthèse (avec des débits entre 5 et 16 kbits/s). En général, les techniques de codage offrant des faibles débits exigent des temps de traitement plus long, augmentant ainsi le délai de transit. Un critère de notation est établi en standard pour caractériser la qualité du codeur. C'est la note moyenne d'opinion MOS 10 qui classe les codeurs en cinq grandes classes : 1 = Mauvais, 2 = Médiocre, 3 = Moyen assez bon, 4 = Bon, 5 = Excellent. 10 Mean Opinion Score Mémoire : Multimédia sur IP Page 31 sur 56

32 Le délai de transmission Le délai est le temps écoulé entre l'émission de la parole et sa restitution à l'arrivée. Pour permettre un échange interactif, la voix doit être transmise avec des contraintes de délai. Les chiffres suivants (tirés de la recommandation UIT-T G114) sont donnés à titre indicatif pour préciser les classes de qualité et d'interactivité en fonction du délai de transmission dans une conversation téléphonique. Classe n Délai par sens 0 à 150 ms 150 à 300 ms 300 à 700 ms Au-delà de 700 ms Commentaires Acceptable pour la plupart des conversations. Acceptable pour des communications faiblement interactives (voir satellite 250 ms par bond) Devient pratiquement une communication half duplex Inutilisable sans une bonne pratique de la conversation half duplex (militaire) On peut compléter les chiffres du tableau ci-dessus par un indice de difficulté de communication en fonction du retard par sens : Délai par sens Difficulté de communication 200 ms 28% 450 ms 35% 700 ms 46% Les causes de délai sont nombreuses : o retard dû au codage, au décodage et à la mise en paquets de la voix, o retard dû à la sérialisation o retard dans les files d'attente des routeurs o retard de propagation o retard dû à la compensation de gigue. Mémoire : Multimédia sur IP Page 32 sur 56

33 La gigue de transmission La gigue est la variation du délai de transmission. Le protocole utilisé pour transporter les paquets voix sur un réseau IP est UDP (User Datagram Protocol). La signalisation utilise la couche de TCP (Transmission Control Protocol). Le protocole UDP fonctionne en mode non connecté : les paquets n'empruntent pas forcement le même chemin, d'où une variation du délai de transit. Une autre cause de la variation du délai de transit dépend du nombre de routeurs traversés et de la charge de chaque routeur traversé. Pour restituer un flux synchrone à l'arrivée, on installe des buffers de compensation de gigue; mais ce stockage allonge encore le délai de transmission. La gigue doit rester inférieure à 100 ms pour garder une qualité acceptable. Le taux de perte des paquets Le protocole UDP ne garantit pas que les paquets arriveront à destination. Une erreur sur l'entête du paquet peut entraîner sa perte ou l'envoi vers une mauvaise destination. D'autre part, lorsque les routeurs IP sont congestionnés, ils libèrent automatiquement de la bande passante en détruisant une certaine proportion des paquets entrants en fonction de seuils prédéfinis. Le taux de perte des paquets dépendra de la qualité des lignes empruntées et du dimensionnement du réseau. Pour avoir une qualité de parole acceptable, le taux de perte de paquet doit rester inférieur à 20%. L'écho L'écho est le délai entre l'émission d'un signal et la réception de ce même signal réverbéré. Ce problème se pose généralement dans les communications PC à Téléphone, Téléphone à PC ou Téléphone à Téléphone. Il est causé par les composantes électroniques des parties analogiques du système qui renvoient une partie du signal traité. Un écho inférieur à 50 ms n'est pas perceptible. Au-delà, l'interlocuteur s'entend parler avec un retard. Pour pouvoir offrir un service de téléphonie sur IP, les passerelles doivent traiter l'écho électrique généré par le passage de 2 fils à 4 fils. Si ce traitement n'est pas effectué, le service ne sera pas utilisable avec des postes analogiques classiques. En France, 50% des lignes analogiques induisent un signal d'écho affaibli de 15 db seulement par rapport au signal d origine. Avec un tel affaiblissement, la qualité de la communication devient inacceptable si le délai de transmission et de commutation excède 25 ms par sens. Pour résoudre ce problème, on introduit dans le réseau des annulateurs d'écho. Mémoire : Multimédia sur IP Page 33 sur 56

34 5. Les équipements côté réseaux : Alcatel, Cisco 5.1. Alcatel L interconnexion de passerelles de jonction Ce scénario concerne le transport d appels téléphoniques sur un réseau de base IP par l interconnexion de passerelles de jonction. Les fournisseurs de transport IP (ou ISP) vendent des services de connectivité de transport aux fournisseurs de services téléphoniques. Ces derniers ont un nombre restreint de passerelles de jonction et de signalisation et un serveur d appels central le contrôleur de passerelle de média. Les passerelles (GW) sont interconnectées logiquement par des fils virtuels DiffServ pour constituer un maillage de conduits entre nœuds périphériques. Les passerelles sont physiquement reliées aux routeurs périphériques DiffServ. Mémoire : Multimédia sur IP Page 34 sur 56

35 Le SLA (entre l ISP et le fournisseur de services téléphoniques) spécifie le nombre de passerelles, la charge prévue entre chaque paire de passerelles (capacité des jonctions) et le délai de transmission maximal de chaque jonction. C est au fournisseur de services téléphoniques qu il incombe d estimer la taille nécessaire de chaque jonction d après, par exemple, des prévisions de trafic basées sur des mesures ou des calculs de dimensionnement de type Erlang-B 11. L agent d administration de bande passante approvisionne le réseau en configurant les routeurs de cœur de réseau et les routeurs périphériques qui sont sous son contrôle, en tenant compte de tous les SLA. Les routeurs peuvent être configurés à l aide du protocole d interface de ligne commune (CLI), du protocole de gestion de réseau simple (SNMP), ou du service ouvert de police commune (COPS). L approvisionnement est effectué avec une granularité de quelques heures ou plus. La signalisation SS7 est capturée au niveau de la passerelle de signalisation et les informations sont envoyées sous la forme de messages de sous-système utilisateur RNIS (SSUR) sur SIGTRAN protocole de transport de signalisation défini par l IETF au contrôleur de passerelle de média (MGC). Le MGC procède au contrôle d admission sur la base de sa connaissance de tous les appels en cours et de la taille des conduits fournis (SLA). 11 Erlang est un langage informatique disposant de nombreuses caractéristiques plus souvent associées à un système d'exploitation qu'à un langage de développement : concurrence des processus, arbitrage entre les processus et planification, gestion de la mémoire, distribution, gestion transparente du réseau, etc. Mémoire : Multimédia sur IP Page 35 sur 56

36 Multimédia sur accès à large bande Un fournisseur de services d application (ASP) propose aux usagers résidentiels sur un accès à large bande des services multimédias en temps réel et des services de données «au mieux» ATM. Un réseau d infrastructure IP, appartenant à un ISP, relie entre eux les réseaux d accès ATM. Les ASP et les fournisseurs d accès, propriétaires des équipements d accès, peuvent être des entreprises différentes. Le réseau d accès concentre les usagers résidentiels, c est-àdire qu à chaque serveur d accès à distance à large bande (BRAS) aboutissent de nombreuses connexions ATM et que chaque BRAS sert de point de présence (POP) pour de nombreux usagers résidentiels. Cette solution de BRAS centralisé prédomine dans les réseaux actuels. Elle limite le nombre de BRAS et permet donc leur maillage intégral. Mémoire : Multimédia sur IP Page 36 sur 56

37 L ATM, qui est maintenant une technologie normalisée, est indéniablement le meilleur protocole de QoS existant pour l accès à large bande. Le concept de connexion virtuelle (VC) permet de différencier simplement les données et le multimédia. Tous les paquets multimédias en temps réel (ou cellules ATM) sont placés sur une connexion virtuelle à débit binaire constant garanti, tandis que les paquets de données sont agrégés sur une connexion virtuelle «au mieux» (à débit binaire non spécifié). Cela permet aux commutateurs ATM et DSLAM de donner à la voix et à la vidéo la priorité sur le trafic de données «au mieux». Par conséquent, un délai court est garanti dans le réseau d accès. Le BRAS sert de routeur DiffServ pour les paquets montants provenant du réseau d accès. Le BRAS marque les paquets de la valeur DSCP appropriée avant de les injecter dans le réseau de base IP. Pour le trafic descendant, le BRAS doit placer les paquets prioritaires sur la VC ATM garantie et les paquets non prioritaires sur la VC «au mieux». Cette décision est fondée sur la valeur DSCP du paquet. La stratégie d approvisionnement en ressources d Alcatel pour le réseau d accès revêt deux aspects. Entre le multiplexeur d accès DSL (DSLAM) et le BRAS ; elle repose sur le contrôle souple, c est-à-dire que, pour le trafic multimédia, le réseau est sur-approvisionné car, après le DSLAM, les appels multimédias sont agrégés et la majorité du trafic est constituée de données «au mieux». En outre, il n y a pas de surcoût car la bande passante de réserve peut être entièrement utilisée par le trafic de données. La mise en œuvre du contrôle souple est impossible pour le dernier tronçon (entre la terminaison de réseau ADSL (ANT) et le DSLAM) et, à ce niveau, l admission stricte est nécessaire. Cependant, comme elle n est indispensable que pour ce tronçon, un protocole dédié de réservation de ressources dans la bande est superflu. Par ailleurs, le contrôle d admission de ressources peut être pris en charge par le protocole de signalisation d application (SIP). Cette solution est mise en œuvre au niveau du serveur d appels central (le serveur mandaté SIP) ou au niveau de l ANT, qui devient alors un serveur mandaté SIP. Mémoire : Multimédia sur IP Page 37 sur 56

38 L accès mobile UMTS La QoS de bout en bout dans les réseaux UMTS est en cours de normalisation dans le cadre du projet de partenariat de troisième génération (3GPP). L architecture UMTS devrait assurer la QoS de bout en bout par la concaténation du service support GPRS et du service support externe. Un service support a tout ce qu il faut pour fournir une QoS contractuelle, notamment les fonctions de signalisation de contrôle, d acheminement différencié des données et de gestion de la QoS. Le service support externe est très dépendant du réseau vers lequel l UMTS achemine l appel. Dans le cas des réseaux d infrastructure IP, la stratégie d Alcatel repose sur l architecture de QoS DiffServ associée à un agent d administration de bande passante et à l admission stricte par flux multimédia. Dans ce qui suit, nous nous intéressons à l architecture de QoS d un réseau d accès UMTS, c est-à-dire, le service support GPRS, objet principal des travaux de normalisation du 3GPP. Le service support GPRS fournit les différents services à valeur ajoutée (QoS) pouvant être proposés par un opérateur UMTS. Mémoire : Multimédia sur IP Page 38 sur 56

39 Ce service est déployé entre le terminal mobile (MT) et la passerelle vers le cœur IP, le nœud de support GPRS de transit (GGSN). Le 3GPP a normalisé quatre classes de QoS : conversationnelle, à flux continu, interactive et d arrière-plan (BE). Chaque terminal mobile négocie une classe de QoS et ses paramètres avec le réseau UMTS en faisant appel au protocole PDP-CA défini pour le GPRS. Certaines modifications propres à l UMTS sont en cours de normalisation par le 3GPP. Ce protocole de réservation est indispensable à l admission stricte de flux multimédias dans la partie accès UMTS du réseau, où les ressources sont très rares. Du fait de la mobilité, un tunnel par flux doit être établi (par le PDP-CA), ce tunnel pouvant passer d une cellule radio à une autre et/ou d un contrôleur de réseau radio (RNC) à un autre. Ceci nécessite des informations d état par flux au niveau du nœud de support GPRS de desserte (SGSN) et du GGSN. La passerelle GGSN doit également établir la correspondance entre les paramètres de QoS UMTS et les paramètres de QoS du service support externe. Pour un réseau DiffServ IP, le GGSN doit servir de routeur DiffServ et mettre en œuvre des capacités similaires à celles du BRAS dans le scénario d accès à large bande. La signalisation d appel SIP et la réservation de ressources PDP-CA doivent être coordonnées. Dans le cadre du 3GPP, on suppose que le GGSN communique avec un serveur mandaté SIP dédié, appelé fonction de contrôle d état d appel (CSCF) dans la terminologie UMTS. Le contrôle d admission d appel de bout en bout reste dans le plan applications et fait appel au protocole SIP qui sert de ciment entre le réseau d accès UMTS et le réseau de base IP. Chaque serveur mandaté SIP sur le trajet doit accepter l appel, sinon il est bloqué. Mémoire : Multimédia sur IP Page 39 sur 56

40 5.2. Cisco La gamme Cisco est incontournable sur le marché des réseaux et télécommunications. C est pourquoi je souhaite présenter les équipements actuels utilisables selon les besoins des applications Système de visioconférence sur IP (source [CISCOVC04]) Concernant la gamme Cisco IP/VC : Solution de visioconférence sur IP Économique et simple à paramétrer Permet d'utiliser les deux systèmes H.323 et H.320 Gestion et qualité de service La gamme IP/VC 3500 est plus particulièrement destinée aux entreprises et aux prestataires de services souhaitant bénéficier, pour la visioconférence sur réseau IP, d'une infrastructure de réseau fiable, économique et simple à gérer. 12 VisioConférence sur IP Mémoire : Multimédia sur IP Page 40 sur 56

41 La gamme IP/VC 3500 est composée d'une unité de contrôle multipoint IP/VC 3510 (MCU ou " pont vidéo "), des passerelles H.320-H.323 IP/VC 3520 et 3525, de l'adaptateur pour terminal vidéo IP/VC 3530 et du système de visioconférence de la gamme Cisco IP/VC La gamme de produits IP/VC est conçue pour fonctionner avec les équipements de visioconférence H.323 proposés par de nombreux constructeurs et est compatible avec les réseaux H.320 traditionnels. La gamme IP/VC 3500 est une solution de passerelle et ne permet pas de gérer les connections/appels. Pour gérer les téléconférences, voir la partie ci-dessous traitant du Multimedia Conference Manager (MCM), ou appelé H.323 GateKeeper 13, H.323 proxy Multimedia Conference Manager (source [CISCOMCM04]) Cisco Multimedia Conference Manager (MCM) permet d identifier et d administrer les trafics H.323 et d y appliquer les accès nécessaires ainsi que les priorités (QoS). Il s implémente en LAN ou WAN et gère donc les trafics VoIP 14, Data Conferencing et Vidéo Vonferencing. Le MCM consiste en un serveur H.323 GateKeeper et un H.323 Proxy. 13 garde-barrière 14 Voice over IP = Voix sur IP Mémoire : Multimédia sur IP Page 41 sur 56

42 GateKeeper H.323 Le GateKeeper est un point de contrôle d une variété de trafics de voix et vidéo. Il peut lui être attaché des équipements de Téléphonie sur IP, IP-PSTN Gateways, H.323 Videoconferencing endpoints, and H.323 Multipoint Control Units. Le garde-barrière permet de gérer : Les connexions H.323 L identification des utilisateurs peut-être gérer en interne et part un serveur Radius Les appels établis entre l utilisateur et la zone d administration La largeur de la bande passante avec les zones et entre les zones Proxy H.323 Le proxy est un agent de gestion des différentes zones. Il permet de gérer la qualité de service (QoS) entre les zones, et d identifier les connexions H.323 par des tunnels à travers les firewall. Il permet de gérer : Les signaux d appels H.323 La sélection de la meilleur classe de QoS pour la vidéo et l audio L adaptation de la classe de QoS selon les informations reçues La réservation de ressources RSVP 15 pour le client Routage du trafic de vidéoconférence sur un réseau spécifique Sécurité en masquant les adresses 15 Resource Reservation Protocol Mémoire : Multimédia sur IP Page 42 sur 56

43 Serveur vidéo sur IP (source [CISCOVOD04]) Cette gamme de Cisco est utilisés pour faire du multicast ou de la vidéo à la demande (VOD). Il est donc utilisable pour de la diffusion d informations en temps réel. Concernant la gamme serveurs vidéo de la gamme Cisco IP/TV : Communications vidéo de grande qualité sur les réseaux d'entreprise Prise en charge de la vidéo en temps réel et en différé, ainsi que la vidéo à la demande Permet d'assurer des formations, des communications d'entreprise, des chaînes d'entreprise, ainsi que des formations à distance La version 3.4 de Cisco IP/TV est une solution complète, hautement évolutive et économique en bande passante, destinée aux communications vidéo haute qualité au sein des réseaux d'entreprise. 16 TéléVision sur IP Mémoire : Multimédia sur IP Page 43 sur 56

44 En tant que partie intégrante de la ligne de produits Cisco de mise en réseau de contenu, Cisco IP/TV est une solution clé en main de mise en réseau de vidéos offrant une facilité d'utilisation et une intégration aux services réseau IP sans pareilles. Cisco IP/TV prend en charge la vidéo en temps réel, la vidéo en différé, la vidéo à la demande (VOD), des présentations synchronisées et des captures d'écran, ainsi qu'une large gamme de fonctions de gestion vidéo. Cette solution offre un large éventail d'applications dédiées aux communications d'entreprise (formations, communications internes, chaînes de télévision commerciale et la formation à distance). La version 3.4 de Cisco IP/TV est commercialisée en tant que logiciel fonctionnant sur des serveurs tiers ou sur des serveurs de la gamme Cisco IP/TV Dotés de logiciels préconfigurés, de cartes de capture pré-installées, de cartes d'interface réseau et de pilotes, les serveurs de la gamme Cisco IP/TV 3400 permettent de déployer rapidement une solution vidéo réseau au sein d'une entreprise. La gamme de serveurs Cisco IP/TV 3400 est composée du serveur de contrôle Cisco IP/TV 3412, des serveurs de diffusion Cisco IP/TV 3425 et 3425A, du serveur d'archivage Cisco IP/TV 3432 et du système vidéo Cisco IP/TV Cette gamme de produits offre un large choix répondant aux applications adaptées aux grandes entreprises, aux besoins en performances et à la disponibilité en bande passante. Mémoire : Multimédia sur IP Page 44 sur 56