Architecture des réseaux de VoIP

Transcription

1 Architecture des réseaux de VoIP Chapitre Introduction Dans cette partie, nous allons voir pourquoi la téléphonie IP est devenue importante pour les entreprises. L'idée de base est de réussir à faire converger le réseau de donnée IP et le réseau téléphonique actuel ce qui permet la réduction des coûts de communication et de câblage (de l ordre de 50%), la simplification des procédures d'assistance et de configuration et la hausse de productivité Les enjeux de la téléphonie sur IP Les enjeux de la ToIP sont : Convergence. Quel que soit le type de données véhiculées, le réseau est unique : les flux de voix, de vidéo, de textes et d applicatifs transitent sur le même réseau. Les communications deviennent plus riches, et sans avoir besoin de multiplier les canaux de transport. En entreprise, la productivité est améliorée. Pour les administrateurs, un seul réseau est à administrer, ce qui simplifie la gestion. Optimisation des ressources. Le réseau IP utilise un transfert de paquets, ce qui optimise l utilisation des ressources par rapport aux solutions de type commutation de circuits. Dans le RTC, des ressources sont dédiées pour toute la durée de la communication, qu elles soient utilisées ou non. Or les très nombreux silences d une conversation téléphonique rendent le dimensionnement du canal réservé systématiquement trop grand. Pour que la voix supporte simultanément la superposition des deux paroles correspondant aux deux intervenants d une communication téléphonique (full-duplex), les réseaux RTC doivent allouer pour chaque intervenant des canaux différents, l un en émission, l autre en réception. Dans la pratique, lors d une conversation téléphonique, une seule personne parle en même temps. Les ressources sont donc globalement gaspillées. Ainsi, la réservation effectuée dans les réseaux RTC représente un coût nettement supérieur à celui des réseaux IP. Coût de transport quasiment nul. Grâce à l intégration de la téléphonie parmi de nombreuses autres applications, le coût du transport devient pratiquement nul. Le réseau permettant d effectuer le transport est le réseau cœur des opérateurs, celui qui effectue tous les transports de données. Ces opérateurs, qui étaient auparavant obligés de maintenir au moins deux réseaux, celui de téléphonie et celui de données, n en ont plus qu un seul à maintenir. L intégration supplémentaire de la télévision dans le réseau de données fait également chuter les coûts de transport de cette application. Services exclusifs. Certains services sont propres aux réseaux IP. Par exemple, le service de présence, consistant à détecter si un utilisateur est connecté au réseau ou non, ne nécessite aucune réservation de ressources dans un réseau IP, à la différence du réseau RTC. De façon analogue, pour le nomadisme des utilisateurs, il est plus simple de passer, partout dans le monde, par le réseau IP plutôt que par le réseau RTC. 2011/2012 1

2 Disparition des commutateurs locaux. Liée à la précédente, cette nouvelle donne résulte de la possibilité de gérer les téléphones depuis le réseau de l opérateur (système Centrex). Des solutions intermédiaires, comme les PBX-IP, permettent de passer petit à petit des circuits numériques aux liaisons paquet IP. La téléphonie devient ainsi une application du réseau IP comme une autre, si ce n est qu elle nécessite une qualité de service particulière. De ce fait, les modems ADSL qui amènent chez l utilisateur la connectivité IP constituent la porte d entrée de la téléphonie IP. Le modem l intègre avec les applications de données (messagerie, transfert de fichiers, P2P), la télévision, la visiophonie, etc Solutions et architecture de la téléphonie sur IP (ToIP) Première génération de la ToIP Ce service consiste à rassembler un grand nombre de voies téléphoniques classiques sur le commutateur local et à les encapsuler sur un même paquet IP. Elle a été proposée afin d offrir des communications internationales à tarif local. L utilisateur se connecte en local sur le commutateur de son operateur. Un opérateur alternatif récupère les différentes voies et les multiplexe sur Internet. A la sortie du réseau IP, les voies de paroles retrouvent leurs compositions initiales sur le commutateur local et sont envoyées de façon classique aux destinataires à travers la boucle locale de l opérateur de télécom (figure 3.1). Figure 3.1. Architecture de la première génération de la ToIP Téléphonie à travers un ordinateur Les opérateurs télécom offrent des accès à Internet à travers la boucle locale. On peut raccorder des ordinateurs personnels équipés d un micro et d un haut-parleur. Ces ordinateurs peuvent jouer le rôle d un téléphone et faire transiter les paquets de téléphonie sur Internet après les avoir acheminés sur la boucle locale des opérateurs (figure 3.2). Figure 3.2. Architecture de la ToIP à travers un ordinateur 2011/2012 2

3 Utilisation de l ordinateur comme intermédiaire Au lieu d utiliser l ordinateur comme téléphone, un combiné analogique est connecté au PC, équipé d une carte d acquisition de la parole téléphonique. L ordinateur joue donc le rôle d une passerelle transformant le signal analogique du combiné en un flux d octets de téléphonie numérisée. Les octets sont envoyés par un modem vers le routeur de l opérateur, qui assure la paquétisation et l envoi des paquets IP (figure 3.3). Figure 3.3. Architecture de la ToIP avec ordinateur comme intermédiaire Utilisation d un modem ADSL Le modem ADSL permet de connecter des téléphones standards. Les conversions nécessaires sont effectuées par le modem (figure 3.4). La boucle locale de l opérateur transporte les paquets IP et le téléphone demeure analogique. Figure 3.4. Architecture de la ToIP avec utilisation d un modem ADSL 2011/2012 3

4 Téléphonie IP de bout en bout La paquétisation est repoussée dans l équipement terminal de l utilisateur qui est le téléphone IP. Le téléphone IP n est pas connecté directement sur la boucle locale de l opérateur mais sur le réseau d entreprise, lui-même connecté à l opérateur (figure 3.5). Le téléphone IP intègre un codec, assure la paquétisation IP et l encapsulation des paquets IP dans une trame Ethernet qui sera transmise dans le réseau d entreprise Le Triple-Play Figure 3.5. Architecture de la ToIP de bout en bout Le flux de téléphonie est multiplexé avec l ensemble des données et n est pas traité d une façon spécifique. Dans le cas où l on dispose d un canal de données et d un canal de téléphonie, on parle de Double-Play. Lorsqu un troisième canal de télévision vient s ajouter, on parle de Triple-Play (figure 3.6). Figure 3.6. Architecture de la ToIP en Triple-Play 2011/2012 4

5 Le Quadruple-Play Lorsqu on ajoute un canal supplémentaire, comme le canal de mobilité provenant d un terminal de type GSM/WIFI qui peut se connecter soit sur le réseau GSM, soit sur le réseau WIFI, selon la disponibilité on parle alors de quadruple-play (figure 3.7) Le Penta-Play Figure 3.7. Architecture de la ToIP en Quadruple-Play Solution dédiée à la vidéo mobile. Sur son mobile à écran vidéo, un utilisateur peut se connecter sur un réseau WIFI en regardant la télévision. La connexion avec le modem ADSL s effectue en mode hertzien de type WIFI (figure 3.8). Figure 3.8. Architecture de la ToIP en Penta-Play 2011/2012 5

6 3.4. Les équipements des réseaux VoIP Dans les différentes architectures des réseaux VoIP, on retrouve toujours les mêmes équipements : - Les Terminaux : Des PC, des téléphones classiques, terminal GSM, terminal UMTS ou des téléphones VoIP. - La passerelle (gateway): Les passerelles en téléphonie IP sont des ordinateurs qui fournissent une interface où se fait la convergence entre les réseaux téléphoniques commutés (RTC) et les réseaux basés sur la commutation de paquets TCP/IP. C'est une partie essentielle de l'architecture du réseau de téléphonie IP. - Le PABX (Private Automatic Branch exchange): C'est le commutateur du réseau téléphonique classique. Il permet de faire le lien entre la passerelle ou le routeur et le réseau RTC. Si tout le réseau devient IP, il n'y a plus besoin de ce matériel. - Le routeur : Il permet d'aiguiller les données et le routage des paquets entre deux réseaux. Certains routeurs permettent de jouer le rôle d un gatekeeper grâce à l'ajout de cartes spécialisées supportant les protocoles VoIP. - Le gatekeeper : C est l'élément qui fournit de l'intelligence à la passerelle. Le gatekeeper est le compagnon logiciel de la passerelle Passerelles et gatekeepers Une passerelle permet aux terminaux d'opérer en environnements hétérogènes (RTC, téléphonie IP ou autre). Les passerelles doivent aussi être compatibles avec les terminaux téléphoniques analogiques. La passerelle fournit la possibilité d'établir une connexion entre un terminal analogique et un terminal multimédia (un PC en général). Un gatekeeper offre deux services principaux : la gestion des permissions et la résolution d'adresses. La gatekeeper est aussi responsable de la sécurité. Il réalise les tâches suivantes: - Le routage des appels: le gatekeeper est responsable de la fonction de routage. Il doit tester si l'appel est permis et faire la résolution d'adresse et il doit aussi rediriger l'appel vers le bon client ou la bonne passerelle. - Administration de la bande passante : le gatekeeper alloue une certaine quantité de bande passante pour un appel et sélectionne les codecs à utiliser. Il agit en tant que régulateur de la bande passante pour prémunir le réseau contre les goulots d'étranglement (bottle-neck). - Tolérance aux fautes et sécurité : le gatekeeper gère les autorisations d établissement des appels (autorisation, authentification et accounting). Il doit aussi gérer les redondances des passerelles afin de faire aboutir tout appel. Il connaît à tout moment l'état de chaque passerelle et route les appels vers les passerelles accessibles et qui ont des ports libres. - Gestion des différentes passerelles : dans un réseau de téléphonie IP, il peut y avoir beaucoup de passerelles. Le gatekeeper, de par ses fonctionnalités de routage et de sécurité, doit gérer ces passerelles pour faire en sorte que tout appel atteigne sa destination avec la meilleure qualité de service possible. 2011/2012 6

7 Ainsi, le gatekeeper peut remplacer le classique PABX. Il est capable de router les appels entrants et de les rediriger vers leur destination ou une autre passerelle. Mais il peut gérer bien d'autres fonctions telles que la conférence ou le double appel. Les avantages du gatekeeper par rapport à un PABX classique sont : Une meilleure évolutivité du gatekeeper. Le matériel utilisé n est pas propriétaire. Utilisation de protocoles standards. Interconnexion d équipements hétérogènes Contraintes de la ToIP La téléphonie sur IP possède les mêmes contraintes de communication temps réel que la téléphonie classique Contraintes temporelles Le temps qui s écoule entre l entrée d un paquet dans le réseau et son temps de sortie du réseau doit être inférieur à 300 ms si l on veut garder une interaction humaine acceptable. Si l on souhaite une bonne qualité de la conversation, il ne faut pas que la latence soit supérieure à 150 ms. Un cas encore plus complexe se produit lorsqu il y a un écho, c est-à-dire un signal qui revient dans l oreille de l émetteur. L écho qui repart en sens inverse traverse sans problème un réseau numérique. La valeur normalisée de la latence de l écho étant de 56 ms, pour que l écho ne soit pas gênant à l oreille, il ne faut pas que le temps de transit de la communication dépasse 28 ms dans un sens. Dans les équipements terminaux, les logiciels aux extrémités doivent être capables de gérer les retards et de resynchroniser les octets reçus. En règle générale, les terminaux IP possèdent des suppresseurs d écho évitant cette contrainte temporelle forte. Le temps de transfert d un flux de parole téléphonique est constitué de la somme des cinq temps suivants: Temps de numérisation de la voix : la numérisation de la parole téléphonique se fait à l aide d un codec (codeur/décodeur). Le temps de numérisation est généralement négligeable, mais le codec va déterminer la vitesse à laquelle les données seront émises. Temps de remplissage des paquets : les données envoyées sont assemblées en paquets. Ces paquets comportent des en-têtes (avec entre autre l adresse du récepteur pour router le paquet et l adresse de l émetteur pour recevoir une réponse), qui sont placés une fois le paquet constitué. Plus il y a de données dans le paquet, moins il y a d entêtes, et donc de consommation de bande passante. En revanche, plus l attente avant d envoyer le paquet est longue, plus l interactivité de la communication est compromise. Il est donc nécessaire d avoir suffisamment de données pour remplir le paquet avec une certaine taille avant de l envoyer dans le réseau. On peut définir le temps de remplissage comme le temps mis par le codec pour remplir un paquet de taille fixée (sans en-têtes). 2011/2012 7

8 Temps de propagation : un signal binaire envoyé d un endroit arrive à un autre endroit après un certain temps, qui dépend de la distance à parcourir. Le temps de propagation peut donc être défini comme le rapport de la distance à parcourir entre l émetteur et le récepteur sur la vitesse de propagation du signal. On prend généralement une vitesse de propagation d un signal de km/s. Temps de transmission : des données arrivent d un point à un autre selon un temps qui dépend de la quantité de données émise et du débit auquel fonctionnent les liens entre l émetteur et le récepteur. On peut donc définir le temps de transmission comme le rapport de la quantité de données à envoyer sur le débit du lien considéré. é Temps de traitement par les nœuds intermédiaires : les flux de données parcourent un ensemble de routeurs intermédiaires qui les acheminent jusqu à leur destination. Chacun de ces nœuds ajoute un délai supplémentaire, qui constitue le temps de traitement des nœuds intermédiaires. Ce temps est généralement de l ordre de la milliseconde pour chaque noeud. Exemple : On considère un réseau de type Ethernet à 100 Mbit/s. L application logicielle de l émetteur numérise la parole téléphonique en un temps négligeable. Elle utilise un codeur qui fonctionne à une vitesse de 8 Kbit/s et génère la transmission de paquets d une taille de 64 octets (comprenant 16 octets d en-tête). Le temps de propagation considéré est de km/s, et la liaison entre l émetteur et le récepteur comporte 7 nœuds, chacun traitant un paquet en 1 ms. Nous allons chercher la distance maximale D max entre les correspondants pour assurer un temps de transfert d au plus 150 ms. Le temps de transfert vaut ainsi : T transfert = T num + T remplissage + T propag + T transmission + T traitement_noeud Détaillons chacun de ces temps séparément : Tnumérisation = 0 ms (négligé) Tremplissage = (64 16) octets/8 Kbit/s = 384 bits/8000 bits = 48 ms Tpropagation = Dmax/( km/s) = Dmax/(200 km/ms) Ttransmission = 64 octets/100 Mbit/s = 512 bits/10 8 bits = 0,00512 ms (négligeable) Ttraitement_noeud = 7.1 = 7 ms Pour que le temps de transfert soit inférieur à 150 ms, il faut donc que : Ttransfert = Dmax/200 km < 150 Soit une distance Dmax de : Dmax < (150 55).200 = km Dans ces conditions, la distance entre l émetteur et le récepteur doit être inférieure à km pour assurer un temps de transfert d au plus 150 ms. 2011/2012 8

9 Contraintes de resynchronisation de la parole téléphonique Les contraintes de resynchronisation de la parole téléphonique résument les problèmes que peuvent rencontrer les paquets en traversant le réseau IP. Ces problèmes ainsi que les solutions appropriées sont présentés par le tableau 3.1. Problèmes Temps de transport aléatoire du réseau : les paquets sont remis au récepteur à des instants quelconques On ne connait pas les instants de restitution des données de chaque paquet Dans l environnement, IP, les paquets peuvent emprunter des chemins différents et risquent donc d arriver en désordre Les paquets peuvent se perdre ou contenir des données erronées Les paquets doivent arriver de la manière la plus rapide possible Solutions Resynchroniser les données reçues en mettant une zone mémoire coté récepteur pour minimiser l effet des fluctuations on utilise aux deux extrémités des horloges en synchronisation et on ajoute des données de synchronisation dans chaque paquet La numérotation des paquets transportant les données est nécessaire pour éviter le désordre des fragments de parole reconstitués. La numérotation permet également de détecter les paquets perdus La retransmission des paquets perdus est inutile On utilise des protocoles simples et non fiables pour le transport de la voix IP, UDP et RTP/RTCP Tableau 3.1. Problèmes et solutions pour la resynchronisation de la parole téléphonique Contraintes de débit Le transport d un flux audio peut nécessiter un débit important sur tout le chemin entre la source et la destination. Le débit de la liaison intervient directement dans le calcul du temps de transfert. D autre part, les conditions du réseau peuvent causer une baisse du débit effectif à cause du multiplexage des liaisons entre plusieurs communications. Pour cela, on peut précéder à la compression des données audio pour réduire le débit. De nombreux codeurs audio sont associés aux différentes techniques existent. La figure 3.9 illustre les performances de différents codeurs de la voix téléphonique en termes de qualité et de débit, en se fondant sur un échantillonnage standard à 8 khz. La compression des données téléphoniques permet une meilleure utilisation de la bande passante mais elle présente deux risques : Dégradation de la qualité de la parole si on utilise un algorithme de compression avec perte de données Sur les terminaux lents, les algorithmes de compression prennent trop de temps pour compresser les données et ajoutent un délai supplémentaire au temps de transfert. 2011/2012 9

10 Figure 3.9. Performances des codeurs audio 3.7. Qualité de service de la ToIP D une manière générale, on retient trois facteurs pour déterminer la qualité de service d une application de téléphonie : Qualité de la transmission de la voix. C est la partie technique qui prend en compte le signal de départ et qui essaie de le retranscrire au mieux au niveau du récepteur. Efficacité de la conversation. C est l interactivité plus ou moins grande entre les deux individus en train de converser. Intelligibilité de la communication. C est la façon dont s expriment les individus en communication. Ce dernier facteur dépend uniquement des individus qui parlent, mais l impact des deux premiers facteurs est important sur le troisième. Si l intelligibilité est faible et que la qualité de la transmission et l efficacité sont mauvaises, il y a de fortes chances que les paroles ne soient pas comprises. Le premier critère dépend surtout de la bande passante utilisée et la retranscription plus ou moins bonne en fonction des codecs et des taux de perte de paquets. Pour le deuxième, c est le temps de réponse qui donne une conversation plus ou moins hachée. Le troisième critère dépend de la prononciation des personnes en communication. Avec une bande étroite de Hz, il est difficile de différencier un «s» d un «f». Si l on augmente à Hz de bande passante la différenciation est beaucoup plus aisée. 2011/

11 Des facteurs externes sont également à prendre en compte dans la qualité perçue. Les principaux facteurs externes sont les suivants : Bruit de ligne de la communication. Bruit corrélé au signal qui provient généralement du codec et du choix de la quantification. Bruit de fond provenant de l endroit où se trouve le micro Conclusion Nous avons introduit dans ce chapitre les principales architectures et contraintes de la téléphonie sur IP. Le respect de la contrainte temporelle est une première priorité pour le transport de la parole téléphonique. Une seconde priorité concerne la mise en place d une signalisation afin de mettre en connexion les deux utilisateurs qui veulent se parler. Les protocoles de signalisation utilisés pour le transport et la gestion de la parole sous forme de paquets IP regroupent essentiellement H.323 et SIP. Le coût d installation d un réseau de téléphonie sur IP est relativement important puisqu il faut mettre en place tout un nouvel environnement, incluant des terminaux, un système de signalisation pour mettre en place les connexions et un contrôle du réseau pour que les temps de réponse restent faibles. La rentabilité d un tel environnement n est possible que sur plusieurs années. D autres contraintes, telles que la sécurité, la disponibilité ou l utilisation des techniques P2P, ont aussi un impact important. 2011/