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IP-Telefonie

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Unter Internet-Telefonie bzw. IP-Telefonie (Internet Protokoll-Telefonie; auch Voice over IP (VoIP)) versteht man das Telefonieren über Computernetzwerke, die nach Internet-Standards aufgebaut sind. Dabei werden für Telefonie typische Informationen, d. h. Sprache und Steuerinformationen für z. B. den Verbindungsaufbau, über ein auch für Datenübertragung nutzbares Netz übertragen. Bei den Gesprächsteilnehmern können sowohl Computer, für IP-Telefonie spezialisierte Telefonendgeräte, als auch über spezielle Adapter angeschlossene, klassische Telefone die Verbindung ins Telefonnetz herstellen.

Beginnend mit der Vernetzung von EDV-Systemen in den 1980er Jahren und dann insbesondere mit dem Internet-Boom der 1990er Jahre ist neben dem Telefonnetzwerk eine zweite Kommunikations-Infrastruktur mit sehr weiter Verbreitung und dank DSL-Anbindung vieler Endverbraucher inzwischen vielfach höherer und weiter stark wachsender Übertragungsleistung entstanden – die IP-basierenden Datennetzwerke, insbesondere auch das Internet als öffentliches Netz. IP-Telefonie ist eine Technologie, die es ermöglicht, den Telefondienst auf dieser IP-Infrastruktur zu realisieren, sodass diese die herkömmliche Telefontechnologie samt ISDN, Netz und allen Komponenten ersetzen kann. Zielsetzung dabei ist eine Reduzierung der Kosten durch ein einheitliches aufgebautes und zu betreibendes Netz, wodurch sich für die Betreiber Kostenvorteile ergeben, die an den Endverbraucher weitergegeben werden können. Aufgrund der hohen Einsatzdauer klassischer Telefoniesysteme und der notwendigen Neuinvestitionen für IP-Telefonie kann der Wechsel bei bestehenden Anbietern nur als lange dauernder, gleitender Übergang erfolgen. Währenddessen existieren beide Technologien parallel (Sanfte Migration), so dass sich ein deutlicher Bedarf an Lösungen zur Verbindung beider Telefoniesysteme (z. B. über Gateways) sowie zur gezielten Planung des Systemwechsels unter Berücksichtigung der jeweiligen Möglichkeiten für Kosten- und Leistungsoptimierung ergibt. Neue Anbieter drängen jedoch verstärkt ausschließlich mit neuer Technologie (also IP-Telephonie statt herkömmlichem Telefon) auf den Markt.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte und Entwicklung

1973 Erste Übertragungen digitaler Sprache im ARPANET mittels Network Voice Protocol zwischen PDP-11 Rechnern. Die Datenübertragungsrate beträgt 3.490 bit/s.

1977 Beschreibung des Network Voice Protocol in RFC 741.

1980 Beschreibung des Internet Protocol (IP) in RFC 791 sowie erste Empfehlungen der ITU-T (damals noch CCITT) für ISDN.

1989 Die Einführung des ISDN ermöglicht Telefonieren mit digitaler Sprachqualität. Die Datenübertragungsrate beträgt 64 kbit/s.

Ebenfalls 1989 beginnt die Entwicklung des World Wide Web, welches sich später für den breiten Erfolg des Internet verantwortlich erweist.

1992 Einführung des GSM Mobilfunks in Deutschland. Die Datenübertragungsrate für die Sprache beträgt etwa 13 kbit/s, über Funk werden wegen der Redundanz bis zu 22,8 kbit/s übertragen. Bedingt durch die Mobilität gibt es grundsätzlich keine festgeschaltete Verbindung mehr.

1995 Ein MS-Windows-Programm des israelischen Unternehmens Vocaltec ermöglicht Internettelefonie im Halbduplexbetrieb. Die Gesprächspartner können nur abwechselnd sprechen. Die Sprachqualität ist schlecht. Verbindungen zu Computern, die nicht die gleiche Software haben, sind nicht möglich.

1996 Beschreibung des Real-Time Transport Protocol in RFC 1889.

1998 Erstmalige Verabschiedung des ITU-T-Rahmenstandards H.323.

1999 Beschreibung des Session Initiation Protocol (SIP) in RFC 2543.

2002 SIP-Erweiterung in RFC 3261.

2002 Verabschiedung von ITU Q.1912.5 zur Interoperabilität zwischen SIP und ISDN User Part.

2004 Die Software Skype erscheint und erfreut sich großen Erfolgs bei Anwendern. Dieser ergibt sich vor allem auch wegen einer bis dahin von anderer Software nicht erreichten Unkompliziertheit in der Benutzung. Skype verwendet ein eigenes, nicht offengelegtes Protokoll basierend auf der Peer-to-Peer-Technik.

Siehe auch: Geschichte des Telefonnetzes

Funktionsprinzip

Das Telefonieren mit der IP-Telefonie kann sich für den Teilnehmer genauso darstellen wie in der klassischen Telefonie. Wie bei der herkömmlichen Telefonie teilt sich das Telefongespräch hierbei in drei grundsätzliche Vorgänge auf. Diese Vorgänge sind der Verbindungsaufbau, die Gesprächsübertragung und der Verbindungsabbau. Im Unterschied zur klassischen Telefonie werden bei VoIP aber keine „Leitungen“ durchgeschaltet, sondern Sprache wird in kleinen Paketen transportiert.

Signalisierungsprotokolle

Der Auf- und Abbau von Rufen (Rufsteuerung) erfolgt über ein von der Sprachkommunikation getrenntes Protokoll. Auch die Aushandlung und der Austausch von Parametern für die Sprachübertragung erfolgt über andere Protokolle als die der Rufsteuerung.

Um in einem IP-basierten Netz eine Verbindung zu einem Gesprächspartner herzustellen, muss die aktuelle IP-Adresse des gerufenen Teilnehmers innerhalb des Netzes bekannt sein, jedoch nicht notwendigerweise auf der Seite des Anrufers. Feststehende Anschlüsse wie im Festnetz (PSTN) gibt es in rein IP-basierten Netzen nicht. Die Erreichbarkeit des Angerufenen wird, ähnlich wie in Mobilfunknetzen, durch eine vorangegangene Authentifizierung des Gerufenen, und einer damit verbundenen Bekanntmachung seiner momentanen Adresse, ermöglicht.

Aufgrund z. B. von Ortswechsel des Teilnehmers, Wechsel des Users am gleichen PC oder die dynamische Adressvergabe beim Aufbau einer Netzwerkverbindung ist eine feste Zuordnung von Telefonnummern zu IP-Adressen nicht möglich. Die allgemein angewandte Lösung besteht darin, dass die IP-Telefonie-Teilnehmer bzw. dessen Endgeräte ihre aktuelle IP-Adresse bei einem Dienstrechner (Server) unter einem Benutzernamen hinterlegen. Der Verbindungsrechner für die Rufsteuerung, oder manchmal sogar das Endgerät des Anrufers selbst, kann dann bei diesem Server die aktuelle IP-Adresse des gewünschten Gesprächspartners über den angewählten Benutzernamen erfragen und damit die Verbindung aufbauen.

Verbreitete Signalisierungsprotokolle sind:

Verbindungsaufbau mit SIP

Von der Internet Engineering Task Force (IETF) wurde das Session Initiation Protocol (SIP) entwickelt. Dadurch ist dieses Protokoll nicht an einen bestimmten Hersteller gebunden. Diese herstellerunabhängige Standardisierung ermöglicht den Einsatz von SIP-basierten Systemen in heterogenen Umfeldern, insbesondere auch in der Kopplung von VoIP-Komponenten unterschiedlicher Hersteller. Grundsätzlich eignet sich SIP allerdings auch für Einsatzszenarien ausserhalb von VoIP.

Die Teilnehmer besitzen bei SIP eine SIP-Adresse (ähnlich einer E-Mail-Adresse) im Uniform-Resource-Identifier-Format (URI-Format), wie zum Beispiel „sip:12345@beispiel-server.de“. Endgeräte müssen sich einmalig während der Startphase bei einem ihnen zugewiesenen SIP-Server registrieren. Zum Aufbau einer Verbindung schickt das Endgerät des Anrufers eine Nachricht an den Server, der unter dem Domainnamen „beispiel-server.de“ bekannt ist (s. DNS).

Dieser Verbindungswunsch wird durch den Server an das Endgerät des Angerufenen weitergeleitet. Sofern diese Nachricht dort verarbeitet werden kann, schickt das Endgerät eine entsprechende Nachricht zurück an den Server, der diese an den Anrufer weiterleitet. Zu diesem Zeitpunkt klingelt das Endgerät des Angerufenen, der Anrufer hört ein Freizeichen.

Eine direkte Kommunikation zwischen den beiden Endgeräten hat bis jetzt noch nicht stattgefunden. Im Rahmen dieses Austauschs zum Aufbau einer Session werden zwischen den Endgeräten alle relevanten Informationen über Eigenschaften und Fähigkeiten ausgetauscht. Für das eigentliche Telefongespräch ist der Server nicht mehr notwendig, die Endgeräte senden sich ihre Daten direkt zu, d. h., der Datenaustausch im Rahmen des Gespräches läuft am Server vorbei. Für die Übertragung dieser Daten in Echtzeit wird üblicherweise das Protokoll Real-Time Transport Protocol (RTP) eingesetzt.

Zur Beendigung des Gesprächs sendet eines der Endgeräte eine SIP-Nachricht an den Server, der diese an den anderen Teilnehmer weitergibt. Beide Endgeräte beenden dann die Verbindung.

Rufnummernsysteme

Es gibt derzeit eine Reihe von Ansätzen, den Teilnehmern eine individuelle Internet-Telefonnummer zu geben. Angefangen von reinen SIP-Nummern gibt es Ansätze zur Integration der Internet-Telefonie in den bestehenden Rufnummernplan der herkömmlichen Telefonnetze bis hin zu einem ganz neuen System. Wesentliche Gesichtspunkte der Europäischen Union und der deutschen Bundesnetzagentur (BNetzA) (früher: Regulierungsbehörde) sind vor allem die Einhaltung aller Vorschriften und mittelfristig die Integration von Notrufsystemen in die Internet-Telefonie.

Individuelle SIP-Nummer

Für Nutzer, die über das Internet lediglich mit anderen Internet-Nutzern kostenlos telefonieren wollen, bieten sich SIP-Adressen bzw. SIP-Nummern an. SIP-Adressen sind, anders als Telefonnummern oder MSNs, nicht an einen Anschluss gebunden, sondern wie E-Mail-Accounts von überall auf der Welt nutzbar, wo es einen Internet-Anschluss gibt.

Um eine eigene SIP-Adresse im URI-Format zu bekommen, kann man sich bei einem von vielen freien oder kostenpflichtigen Anbietern anmelden. Da viele Anbieter entweder nur SIP-Adressen mit reinen Zahlenfolgen vergeben (z. B. 12345@sip-server.de) oder zur nichtnumerischen Adresse einen numerischen Alias vergeben, können auch IP-Telefone mit normaler Tastatur zum Wählen verwendet werden, um Gesprächspartner, die sich beim selben SIP-Server registriert haben, anzuwählen. Mit Vorwahlnummern können auch Gesprächspartner von anderen SIP-Servern angewählt werden. Die meisten Anbieter von SIP-Adressen ermöglichen auch das Telefonieren mit Teilnehmern des herkömmlichen Telefonnetzes, da sie bei solchen Gesprächen Geld verdienen können. Die SIP-Nummern werden oft auch so vergeben, dass sie über Gateways mit entsprechender Vorwahlnummer aus dem herkömmlichen Telefonnetz angerufen werden können.

Herkömmliche Ortsrufnummern

Immer mehr VoIP-Anbieter können Nummern aus allen deutschen Ortsnetzen vergeben. Damit ist der Kunde auch aus dem herkömmlichen Telefonnetz zu erreichen. Die Bundesnetzagentur begrenzt solche Angebote jedoch nur auf Teilnehmer, die in diesen Ortsnetzen ihren Wohnort haben. Die Begründung ist, dass ansonsten der Bezug, den die Vorwahl zum Wohnort hat, aufgelöst werde. Die Anbieter sind damit verpflichtet, zu überprüfen, ob der Kunde in dem gewünschten Ortsnetz auch tatsächlich wohnt. Meistens wird dies durch eine Schufaabfrage oder durch einen PIN per Post überprüft. Aus Kostengründen bieten die meisten VoIP-Anbieter nicht in allen Ortsnetzen lokale Nummern an. Falls der Kunde außerhalb eines verfügbaren Vorwahlbereiches wohnt, stellen viele Anbieter 0180x-Nummern zu Verfügung. Die Nummern sollten theoretisch weltweit von jedem Telefon und Handy aus erreichbar sein. Dieses Verfahren ist jedoch nur noch übergangsweise zulässig.

Wenn der VoIP-Anbieter beim Verbindungsaufbau das SIP-Protokoll einsetzt, besitzt der Kunde neben der Ortsrufnummer gleichzeitig eine SIP-Nummer. Viele Anbieter teilen ihren Kunden jedoch lediglich die vergebene Festnetz-Rufnummer mit. Zudem blockieren viele dieser Anbieter Internet-Anrufe von Anrufern, die sich nicht bei ihm oder einem seiner Partner registriert haben. Dadurch kann man nur dann ein kostenloses Internet-Telefongespräch führen, wenn sich beide Gesprächspartner beim selben Anbieter (oder einem Partneranbieter) registriert haben.

Für die meisten Unternehmen und Behörden ist die Übernahme des gesamten bisherigen Rufnummernplans des bestehenden herkömmlichen Anschlusses (Ortsvorwahl, Hauptrufnummer und alle Durchwahlnummern) Voraussetzung für einen Wechsel zu einem IP-Telefonie-Service-Provider. Für SIP bieten das bisher erst wenige Provider an.

Das ENUM-Verfahren

Eine Weiterentwicklung ist das Telephone Number Mapping (ENUM). Es wird von einigen Netzbetreibern und sowohl von der deutschen (DENIC) als auch der österreichischen (NIC.AT) Domain-Vergabestelle vorangetrieben.

Bei ENUM wird die Rufnummer umgekehrt und mit Punkten zwischen den einzelnen Ziffern versehen, als Subdomain der Top Level Domain "arpa" mit der Second Level Domain "e164" vorangestellt. Aus +49 12345 6789 wird also zum Beispiel 9.8.7.6.5.4.3.2.1.9.4.e164.arpa. Diese Lösung setzt allerdings voraus, dass der Telefonkunde schon über eine Rufnummer verfügt.

Aufgrund der EU-Richtlinien zur Rufnummern-Mitnahme bei Wechsel des Telefonproviders erlebt ENUM derzeit (zumindest in Österreich) den erhofften Aufschwung. Bevor Telefonprovider aufgrund eigener Datenbanken ein Telefongespräch vermitteln, wird überprüft, ob es zu der gerufenen Nummer und dem verwendeten Dienst bei ENUM einen DNS-Eintrag gibt. Falls ja, wird der Ruf zu der im DNS angegebenen Adresse vermittelt (PSTN- oder auch SIP-Teilnehmer).

Bei großen kommerziellen Anbietern unbeliebt ist der öffentliche Ansatz von ENUM. Dadurch ist es einerseits Angreifern möglich, z. B. automatisierte kostenlose Werbeanrufe, so genannte SPIT (Spam over IP Telephony), einzusetzen. Anderseits könnten Kundendaten abgefragt werden. Durch geeignete Maßnahmen können allerdings ENUM-Verzeichnis-Betreiber automatisierte Massen-Abfragen unterbinden, so dass sich beide Gefahren eingrenzen lassen. Ein weiterer, vielleicht wesentlicher Grund für die Reserviertheit vieler Anbieter gegenüber ENUM ist der, dass durch kostenlose Gespräche Einnahmequellen entfallen.

Spezielle Internet-Rufnummern

In Österreich wurde speziell für konvergente Dienste – unter die auch die Internet-Telefonie fällt – die Vorwahl +43 720 (personal number) geschaffen. Eine ähnliche Lösung wurde auch von der deutschen Regulierungsbehörde empfohlen. Nach einer Vorwahl 032 kann ähnlich wie beim Mobilfunk mit einer „Blockkennung“ ein VoIP-Betreiber ausgewählt werden, um danach dann die eigentliche Endnummer des Teilnehmers zu wählen. Die 032-Rufnummern konnten sich bislang nicht bei den VoIP-Providern durchsetzen. Sie werden nur von wenigen VoIP-Anbietern genutzt. Die Erreichbarkeit stellt ein Problem dar, da die Rufnummerngasse von einigen Festnetzanbietern nicht unterstützt wird. Aus den Handynetzen von T-Mobile, E-Plus und O2 sind die Rufnummern erreichbar, jedoch nicht aus dem Netz von Vodafone. Die 032-Teilnehmernummer ist nicht mehr an einen DSL- oder Telefonanschluss gekoppelt, sondern kann unabhängig vom Anschluss vergeben werden. Nach diesem Schema können auch mobile VoIP-Geräte eine Rufnummer für die nomadische Nutzung erhalten.

Gesprächsübertragung

Bild:Abb ip telefone prinzip.png
Prinzip eines Gespräches via IP-Telefonie bei der möglichen Nutzung eines IP-Telefons

Wie bei herkömmlicher Telefonie wird die Sprache zunächst analog mit einem Mikrofon (z. B. über den Telefonhörer) erfasst. Die analogen Sprachsignale werden digitalisiert (codiert). Optional können sie auch komprimiert werden (verbreitet sind dafür z. B. ITU-T G.723.1 oder G. 729 Annex A), um die zu übertragende Datenmenge zu reduzieren. Der Transport der so umgewandelten Daten erfolgt dann über ein öffentliches oder privates Datennetzwerk. Bedingt durch das für die Transportsteuerung zuständige Internet Protocol (IP) werden die Daten dazu in viele kleine Pakete aufgeteilt.

Digitale Verarbeitung der analogen Signale

Die analogen Signale werden durch einen Analog-Digital-Umsetzer in Digitalsignale umgewandelt und mittels Codecs in Audio-Binärformate gewandelt. Je nach verwendetem Codec können die Daten dabei unterschiedlich stark komprimiert werden. Die meisten Codecs benutzen dabei ein Verfahren, bei dem für das menschliche Gehör unwichtige Informationen weggelassen werden. Das verkleinert die Datenmenge und verringert so die zur Übertragung benötigte Bandbreite. Werden allerdings zu viele Informationen weggelassen, leidet auch die Sprachqualität. Die verschiedenen Codec-Verfahren beherrschen die Audiodatenkompression unterschiedlich gut. Manche sind auch speziell dafür ausgelegt, eine niedrige Bandbreite um jeden Preis zu erreichen, andere dagegen verbessern die seit Jahrzehnten gewohnte Telefonqualität auf Radio- oder sogar CD-Niveau. Je nach Codec variieren also die erforderliche Bandbreite sowie die Sprachqualität. Damit die Daten nach dem Transport auch wieder korrekt in Sprache umgewandelt werden können, muss der Empfänger den gleichen Codec wie der Sender benutzen.

Dieses Verfahren der Audiokompression wird übrigens heute schon beim Mobilfunk erfolgreich eingesetzt.

Transport der Daten

Im Normalfall schickt jedes Endgerät die codierten Sprachdaten unabhängig von der Signalisierung "direkt" über das Netzwerk an die IP-Adresse der Gegenstelle. Die Gesprächsdaten fließen also nicht über Server eines VoIP-Providers.

Der eigentliche Transport der Daten erfolgt über das Real-Time Transport Protocol (RTP), gesteuert durch das RealTime Control Protocol (RTCP). RTP verwendet zur Übertragung in der Regel das User Datagram Protocol (UDP). UDP kommt zum Einsatz, da es ein minimales, verbindungsloses Netzwerkprotokoll ist, das nicht auf Zuverlässigkeit ausgelegt wurde wie beispielsweise das Transmission Control Protocol (TCP). Dies bedeutet, dass der Empfang der Sprachpakete nicht bestätigt wird, also keine Übertragungsgarantie besteht. Der Vorteil von UDP ist aber dessen geringere Latenzzeit gegenüber der von TCP, da nicht auf eine Bestätigung gewartet und fehlerhafte Pakete nicht neu gesendet werden und sich somit der Datenfluss insgesamt nicht verzögert. Eine vollkommen fehlerfreie Übertragung ist aufgrund der hohen Redundanz gesprochener Sprache und der Möglichkeit der verwendeten Codecs, Fehler zu korrigieren, unnötig. Für ein flüssiges Gespräch ist eine geringe Antwortverzögerung viel wichtiger.

Übertragungsqualität

Die Anforderungen an das Netz für Datenübertragung und IP-Telefonie unterscheiden sich erheblich. Neben der erforderlichen Übertragungskapazität (ca. 64 kbit/s für ein unkomprimiertes Gespräch) haben insbesondere Qualitätsmerkmale wie Latenz, Jitter und Paketverlustrate erheblichen Einfluss auf die erreichbare Sprachqualität. Durch Priorisierung und gezielte Auslegung der Netze ist es möglich, eine entsprechende Steuerung vorzunehmen, um unabhängig von der sonstigen Netznutzung zuverlässig eine gleichbleibende Sprachqualität zu erreichen.

Da das Internet in seiner heutigen Form (Stand 2006) keine gesicherte Übertragungsqualität zwischen Teilnehmern garantiert, kann es durchaus zu Übertragungsverlusten, störenden Echos oder Aussetzern kommen, so dass die Sprachqualität nicht ganz der von herkömmlichen Telefonnetzen entspricht, aber meist besser als in Mobilfunk-Netzen ist. Die zunehmende Akzeptanz der Mobilfunkkunden deutet auf eine relativ unkritische Einstellung der Anwender zu leichten Qualitätsmängeln hin. Mit einem qualitativ hochwertigen DSL-Anschluss (Engpass ist die Bitrate in Richtung Netz (upstream), sie sollte dauerhaft deutlich über 100 kbit/s liegen) kann man als Privatkunde heute schon durchaus eine etwa gleichwertige und kostengünstige Alternative zum klassischen Telefonanschluss erhalten.

Bild:Voip tos.jpg
QoS auf Layer 3 bei VoIP

Eine Kennzeichnung und Bevorzugung (Priorisierung) der „Sprachpakete“ gegenüber anderen Datenpaketen im Internet ist sinnvoll. Das heute im Internet verwendete Protokoll IPv4 bietet zwar solche Möglichkeiten (z. B. DiffServ), jedoch werden sie von den Routern im Internet in der Regel nicht beachtet. Sorgfältig geplante und konfigurierte private IP-Netze können jedoch eine gewisse "Quality of Service (QoS)" gewährleisten (auch mit Ethernet als Bitübertragungsschicht) und dadurch die Telefonie auch bei Überlast im Datenbereich ermöglichen. Die QoS-Mechanismen funktionieren aber leider in der Regel bei weitem nicht so, wie von den Herstellern angegeben. Da die QoS-Mechanismen wegen der normalerweise eingeplanten Überkapazitäten nur ausnahmsweise in Aktion treten, bleiben QoS-Fehlfunktionen vom Anwender meist unbemerkt, selbst dann, wenn es, vielleicht nach Monaten oder Jahren, einmal zum Störfall kommt. Status quo im Internet ist jedoch bisher der Best Effort-Transport, das heißt die Gleichbehandlung aller Pakete. Die trotzdem meist brauchbare Telefonie-Qualität ist den Überkapazitäten der Netze zu verdanken. An weitergehenden QoS-Standards für das zukünftige, multimedia-lastige Internet wird in einer Reihe von Gremien und Forschungsprojekten gearbeitet (z. B. MUSE, DSL-Forum u. v. a. m.).

Auch vom Nachfolgeprotokoll IPv6 sind bezüglich QoS keine Wunderdinge zu erwarten. IPv6 bringt als neues Element flows. Bisher besteht aber wohl noch keine Klarheit darüber, wie dies genutzt werden soll. Ob die Infrastruktur diese Markierungen (Priorität, DSCP-Code) berücksichtigt oder nicht, ist letztendlich eine finanzielle Frage. Die Zukunft wird zeigen, ob die Internet Service Provider für mehr Geld auch qualitativ höherwertige IP-Ströme bereitstellen werden.

Qualitätsmerkmale

Um eine qualitativ hochwertige Kommunikation über Voice-over-IP führen zu können, müssen die für den Sprachtransport verwendeten Datenpakete so beim Gegenüber ankommen, dass sie zu einem getreuen Abbild des ursprünglichen, zeitlich zusammenhängenden Datenstrom zusammengesetzt werden können. Die im nachfolgenden aufgeführten Faktoren bestimmen die Qualität des Systems.

Durchsatz

Der erforderliche Durchsatz (Menge an Daten, die von einem System oder Teilsystem pro Zeiteinheit verarbeitet werden können) hängt in erster Linie von der verwendeten Codierung ab. Ein unkomprimiertes Gespräch hat typischer Weise eine Datenrate von 64 kbit/s (Payload). Abhängig vom verwendeten Kompressionsverfahren beträgt die für die reine IP-Telefonie benötigte Bandbreite also maximal knapp 100 kbit/s (64 kbit/s netto zuzüglich der Overheads der verschiedenen Kommunikations-Protokolle).

Da das Netz gemeinsam mit anderen Datendiensten genutzt wird, ist insbesondere im Heimbereich eine Datenverbindung (z. B. ein DSL-Anschluss) mit einer Bandbreite von mindestens 100 kbit/s in beide Richtungen empfehlenswert. Hier gilt es zu beachten, dass im häufig verwendeten ADSL-Verfahren die Upstream-Bitrate wesentlich geringer ist als die Downstream-Bitrate. Beispielrechnung zur benötigten Bandbreite

Laufzeit (Latenz) und Jitter

Der Transport von Daten benötigt Zeit. Sie wird als Laufzeit bzw. Latenz (engl. Delay) bezeichnet und ist bei herkömmlicher Telefonie im wesentlichen die Summe der Signallaufzeiten auf den Übertragungskanälen. Bei Telefonie über IP-Netze kommen weitere Verzögerungen durch die Paketierung und Zwischenspeicherung sowie ggf. Kompression und Dekompression der Daten hinzu. Bei der Telefonie (unabhängig davon mit welcher Technologie sie realisiert wird) stellen gemäß ITU-T Empfehlung G.114 400 Millisekunden Einweglaufzeit (Mund zu Ohr) die Grenze dar, bis zu der die Qualität von Kommunikation in Echtzeit noch als akzeptabel gilt. Ab ungefähr 125 Millisekunden kann die Laufzeit vom Menschen jedoch schon als störend wahrgenommen werden. Daher empfiehlt die ITU-T bei hoch-interaktiven Kommunikationsformen generell eine Einweglaufzeit von 150 Millisekunden nicht zu überschreiten.

Als Jitter bezeichnet man die zeitliche Schwankung zwischen dem Empfang von zwei Datenpaketen. Um diese zu kompensieren, werden so genannte „Pufferspeicher“ (Jitterbuffer) eingesetzt, die eine zusätzliche, absichtliche Verzögerung der empfangenen Daten bewirken, um anschließend die Daten isochron auszugeben. Pakete, die noch später ankommen, können nicht mehr in den Ausgabedatenstrom eingearbeitet werden. Die Größe des Pufferspeichers (in Millisekunden) addiert sich zur Laufzeit. Sie erlaubt also die Wahl zwischen mehr Verzögerung oder mehr Paketverlustrate.

Paketverlust

Von Paketverlust spricht man, wenn gesendete Datenpakete den Empfänger nicht oder nicht in der richtigen Reihenfolge erreichen und deshalb verworfen werden. Bei Echtzeitanwendungungen spricht man auch von Paketverlusten, wenn das Paket zwar den Empfänger erreicht, aber zu spät eintrifft, um noch in den Ausgabestrom eingefügt werden zu können. Für Telefonie wird nach ITU-T G.114 eine Paketverlustrate (packet loss rate) bis maximal 5 % noch als akzeptabel eingestuft.

Verfügbarkeit

Die Verfügbarkeit des Gesamtsystems ergibt sich aus den Einzelverfügbarkeiten der beteiligten Komponenten und deren Zusammenschaltung (kaskadiert – in Reihe, oder redundant – parallel). Somit hängt die Verfügbarkeit eines IP-Telefonie Systems in erster Linie vom Netzdesign ab. Eine US-amerikanische Studie vom Juni 2005 untersuchte die Verfügbarkeit von IP-Telefonie in den USA. Im Durchschnitt wurden knapp 97 % erreicht. Das entspricht einem Ausfall an insgesamt 11 kompletten Tagen im Jahr [1]. Zudem gibt es bei vielen DSL-Providern eine so genannte 24 Stunden-Zwangstrennung, die dazu führt, dass bei ständig benutzter Leitung eine Trennung stattfindet. Die daraufhin nötige Neueinwahl kann unter Umständen mehrere Minuten dauern.

Architektur

Es gibt für VoIP unterschiedliche Architekturen. Weit verbreitet sind: Die Architektur gemäß dem H.323-Rahmenstandard der ITU-T, die die Elemente Terminal, Gateway, Gatekeeper und MCU vorsieht (siehe unten) sowie die Architektur gemäß dem de-facto-Standard SIP der IETF. Dazu kommen eine Reihe von nicht-Standard-Lösungen für VoIP.

Terminal

Ein Terminal ist der „multimediale Endpunkt“ zur Kommunikation, im engeren Sinne also das Endgerät zur Ein- und Ausgabe der Sprachinformationen.

Endgerätetypen

Bild:VOIP.png
Endgerättypen

Es gibt drei grundsätzliche Arten von Endgeräten, mit denen man die IP-Telefonie nutzen kann.

  • Mit einer auf dem PC laufenden Software, einem so genannten Softphone (siehe auch Kategorie:VoIP-Software).
  • Mit einem direkt an das LAN anschließbaren IP-Telefon bzw. einem WLAN-Telefon für Funknetzwerke. In diesem Fall wird kein PC zum Telefonieren benötigt (außer evtl. für Konfigurationsarbeiten oder zur Erleichterung bestimmter Vorgänge wie dem Erfassen von Kurzwahlen, der Eingabe von alphanumerischen Daten o. Ä.).
  • Mit einem herkömmlichen Telefon, das über einen Analog- bzw. ISDN-Telefon-Adapter für VoIP (ATA bzw. ITA) an das LAN angeschlossen wird. ATA und ITA werden heute auch direkt als Anschlussmöglichkeit für Telefone in DSL-Routern integriert angeboten. Auch in diesem Fall wird zum Telefoniebetrieb kein PC benötigt, zum einmaligen Einrichten der Benutzerdaten hingegen schon.

Fax über IP (Fax over IP, FoIP)

Zur Übertragung von Bildern (Fax) innerhalb des Internet werden diese in einem Container bzw. einer Datei abgespeichert (T.38 Standard). Übliche Formate sind z. B. GIF, JPG, TIFF oder PNG. Diese Dateien können mit Protokollen wie FTP, SMTP (E-Mail) oder Hypertext Transfer Protokoll (HTTP) zum Empfänger transportiert werden. Zum Transport von oder zu herkömmlichen Fax-Geräten mit Analog-Technik können Gateways benutzt werden. Der Transport des analogen Signals eines Fax-Gerätes über ein digitales Netz mit Hilfe eines für die menschliche Sprache optimierten Codec (T.30 Standard) kann zu Informationsverlusten führen!

Gateway

Bild:Abb ip telefone gateways.png
Das Gateway ist ein Vermittler zwischen den beiden Technologien.

Damit Verbindungen zu herkömmlichen Telefonnetzen hergestellt werden können, werden Vermittlungsrechner, die so genannten Gateways, benötigt. Diese sind sowohl mit dem Kommunikationsnetzwerk des IP-Telefons als auch mit dem herkömmlichen Telefonnetz verbunden. Empfangen sie eine Anfrage von einem IP-Telefon, leiten sie diese ins Telefonnetz weiter, indem sie die gewünschte Nummer anrufen. Erhalten sie einen Anruf aus dem Telefonnetz, leiten sie eine Anfrage an das entsprechende IP-Telefon weiter.

Die Integration unterschiedlicher Netze durch Gateways wird auch als Konvergenz der Netze bezeichnet. Beschränkt man die Integration nicht alleine auf VoIP und herkömmliches Telefonnetz, sondern bezieht alle Netztypen mit ein, ergeben sich völlig neue Netzstrukturen auf der Basis von IP. Diese neuen Strukturen werden als Next Generation Networks (NGNs) bezeichnet. Im Kern würden dann so genannte Softswitches statt herkömmlicher Vermittlungssysteme eingesetzt, welche die Gateways steuern. Sollte sich dieser Trend durchsetzen, wäre dies eine Revolution in der Telekommunikation, vergleichbar mit dem Umstieg von analogen auf digitale Netze in den 80er Jahren. Ein Vorteil, den man sich von einem NGN erhofft, ist, dass man alle Dienste und alle Dienstleistungen in jedem Netz anbieten kann, ohne sie für die jeweilige Netztechnologie neu entwickeln zu müssen. VoIP spielt hier eine Vorreiterrolle.

Gatekeeper

Ein Gatekeeper ist eine optionale Komponente in der VoIP-Umgebung und erfüllt, wenn vorhanden, zentrale Funktionen, wie Terminal-Registrierung oder Auf- und Abbau von Verbindungen zwischen registrierten Terminals.

Multipoint Control Unit (MCU)

Die optionale Multipoint Control Unit (MCU) kommt dort zum Einsatz, wo Verbindungen zwischen mehr als zwei Terminals gewünscht werden. Hier erfolgt die Aushandlung der Terminal-Eigenschaften und die Steuerung der Konferenz. Ggf. erfolgt eine Umsetzung von unterschiedlichen Codecs und Bitraten und die Verteilung der gemixten Informationen per Multicast.

Anwendungsbereiche

Hintergrund-Technik der herkömmlichen Telefonie

Herkömmliche Telefonnetze in Europa basieren auf dem leitungsvermittelten PCM30-Verfahren. Seitens der Betreiber von Telefonnetzen kann für die Übermittlung von Gesprächen jedoch auch IP-Telefonie eingesetzt werden, ohne dass dies eine Änderung für die Gesprächsteilnehmer mit sich brächte. Der Einsatz von IP-Telefonie kann für Teile des Netzes oder das ganze Netz stattfinden.

Schon länger wird IP-Telefonie beispielsweise von Call-by-Call-Anbietern für Auslandsverbindungen genutzt. Die Gespräche werden dabei zwischen dem hiesigen Telefonnetz und dem Telefonnetz des Ziellands über das Internet geleitet, wodurch sich Kostenvorteile ergeben.

Im Rahmen eines Next Generation Network wird das Telefonnetz vollständig auf Basis des Internet Protokolls betrieben. Ziel dabei ist es, die Netze für Telefonie und Internet auf einer gemeinsamen IP-basierten Struktur aufzubauen, wobei jedoch eine logische Trennung zur Gewährleistung der Dienstqualität und Sicherheit beibehalten wird. Nach Presseberichten aus dem Jahre 2004 plant die T-Com, die vollständige Umstellung ihres Netzes „bis deutlich vor dem Jahr 2020“ abgeschlossen zu haben.

Enterprise-Telefonie

Innerhalb von Organisationen wie Unternehmen wird Voice over IP in zunehmendem Maße dazu genutzt, das Telefonnetz und das Computernetzwerk zusammen zu führen. Der Datentransport der Telefongespräche, sowohl für die Signalisierung als auch die Übertragung der digitalisierten Sprache, erfolgt über das EDV-Netzwerk (LAN). Somit lassen sich die Infrastruktur-Kosten durch Einheitlichkeit von Verkabelung und aktiven Systemkomponenten reduzieren. Die IP-Telefone werden in der Regel wie ein Arbeitsplatz-PC am Netzwerkanschluss angeschlossen. Herkömmliche Endgeräte sind zu ersetzen oder zu adaptieren.

Die Telefoniedienste, insbesondere die Teilnehmerverwaltung und Gesprächsvermittlung wird über IP-fähige Telefonanlagen bereitgestellt, die ebenfalls ans Netzwerk angebunden sind. Telefonanlagen verschiedener Standorte können über das Extranet (WAN) und bestehende Datenleitungen mit Kapazitätsreserven gekoppelt werden. Nicht alle dieser verschiedenen Standorte müssen dabei mit einer eigenen Telefonanlage ausgerüstet sein. Standorte, an denen keine lokale Telefonanlage installiert ist, werden als abgesetzte Einheiten bezeichnet. Für Verbindungen in das herkömmliche Telefonnetz, z. B. das öffentliche Telefonnetz (PSTN), werden Übergänge, sogenannte Gateways zwischen dem IP-Netzwerk und dem konventionellen Netz eingesetzt.

Die Struktur des Gesamtsystems wird in so genannten Szenarien beschrieben, die mehrere Übergänge zwischen konventioneller Telefonie und VoIP enthalten können. Die als Migration bezeichnete Umstellung von klassischer Telefonie auf VoIP erfolgt meist schrittweise. Sukzessive werden Teile einer Unternehmung, bevorzugt neue Abteilungen, mit der neuen Technik ausgestattet.

Durch kombinierte TK-Anlagen, die sowohl IP- als auch herkömmliche Ports bereitstellen, ist eine schleichende Migration (Sanfte Migration) möglich, wobei herkömmliche Anschlüsse weiterbetrieben werden können und nach und nach durch IP Anschlüsse ersetzt werden. Diese TK-Anlagen werden auch als Hybrid-Anlagen bezeichnet.

Sprachqualität und Zuverlässigkeit der Telefontechnik hängen nach einer Umstellung auf VoIP komplett von der Netzwerktechnik ab, was speziell bei der Planung und Administration der Netze zu berücksichtigen ist und wesentlich höhere Anforderungen der Hardware erfordert.

Internet-Telefonie

Die IP-Telefonie wird auch genutzt, um weltweit Gespräche über das Internet zu führen, die so genannte Internet-Telefonie. Bei Endkunden (Privatanwender und Home Office) sind Gründe für den Einsatz insbesondere:

  • Gebühren sparen durch IP-Telefonie. Als Endgeräte können sowohl über spezielle Adapter (ATA, ITA) angeschlossene analoge oder ISDN-Endgeräte, sound-fähige Computer (vorzugsweise mit Handset oder Headset), als auch spezielle IP-Telefone verwendet werden. Für Gespräche zwischen zwei IP-Telefonie-Teilnehmern fallen in der Regel keine Gesprächsgebühren an.
  • Auch die Verbindung zu und von Teilnehmern am herkömmlichen Telefonnetz ist möglich. Sie wird dabei durch einen vom Anbieter bereitgestellten Übergang, dem Gateway-Dienst, hergestellt. Für über Gateways ausgehende Gespräche fallen jedoch normalerweise besondere Gebühren an.
  • Unabhängig vom Aufenthaltsort ist die Erreichbarkeit immer unter der selben Adresse bzw. Rufnummer gegeben.

Verbindungspreise

Falls beide Teilnehmer mit dem Internet verbunden sind, fallen bei der Internet-Telefonie normalerweise, abgesehen von den Kosten für die Internetnutzung, keine weiteren Kosten an. Für Teilnehmer mit einer Flatrate sind so Gespräche z. B. unter Verwendung eines offenen SIP-Servers weltweit kostenlos. Einige VoIP-Anbieter beschränken jedoch den Bereich der kostenlosen Telefonie auf Nutzer, die sich bei ihnen oder einem ihrer Partner registriert haben.

Für Anrufe aus dem Internet zu einem Teilnehmer im klassischen Telefonnetz wird ein Gateway benötigt, das die Verbindung bewerkstelligt. Für dessen Nutzung entstehen Kosten, die sich aus der Bereitstellung der Infrastruktur sowie den Gesprächsgebühren zusammensetzen.

Bei Auslandsgesprächen zu einem Teilnehmer im klassischen Telefonnetz ist der Standort des Gateways entscheidend: Bis zum Gateway wird der günstige Internetzugang benutzt, danach gelten die Telefonpreise des Gatewayanbieters.

Wird für die IP-Telefonie ein vorhandenes Unternehmensnetz benutzt, entstehen keine gesprächsdauerabhängigen Verbindungskosten. Neben den Kosten für VoIP-fähige Netzkomponenten (Router und LAN Switch) sind die anteiligen Kosten für die Netzbandbreite in eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einzubeziehen. Die erforderliche Bandbreite ergibt sich aus der vom verwendeten Codec abhängigen Bandbreite pro Gespräch und der zu erwartenden Anzahl gleichzeitiger Gespräche.

Sicherheitsaspekte

Durch die Integration der Sprachdatenübertragung in das IP-Netz ergeben sich neue Herausforderungen an die IT-Sicherheit.

Bild:VoIP-voice-data-german.svg
VoIP Kapselung

Die VoIP-Pakete werden über ein so genanntes „Shared Medium“ übertragen, also über ein Netz, welches sich mehrere Teilnehmer und unterschiedliche Dienste teilen. Unter gewissen Voraussetzungen kann es Angreifern möglich sein, die Daten auf dem Übertragungsweg abzugreifen und das Gespräch aufzuzeichnen. Es existieren beispielsweise Programme, mit deren Hilfe der Datenstrom auch aus geswitchten Umgebungen mittels „ARP-Spoofing“ abgegriffen und daraus wieder eine Audiodatei erzeugt werden kann.

Zwar besteht die Möglichkeit, die Übertragung mit Secure_Real-Time_Transport_Protocol (SRTP) zu verschlüsseln, jedoch wird dies häufig von den Anwendern nicht genutzt, da die meisten Voip Anbieter es nicht unterstützen wollen. Einerseits liegt dies sicherlich auch an der Unkenntnis über diese Möglichkeit, andererseits kann eine Verschlüsselung auch die Sprachqualität beeinträchtigen, weshalb sich häufig Anwender zu Gunsten der Sprachqualität gegen die höhere Sicherheit entscheiden.

Das oftmals eingesetzte SIP-Protokoll kann ebenso nicht in allen in der Praxis anzutreffenden Formen als hinreichend sicher betrachtet werden. Es verfügt zwar über Sicherheitsmechanismen (bspw. Call-IDs auf der Basis von Hashes), bietet jedoch Angriffsmöglichkeiten für DoS-Attacken.

Außerdem könnte das Phreaking mit VoIP sozusagen ein Revival erleben. Das Szenario beruht darauf, dass bei der VoIP-Kommunikation die Signalisierung (bsp. SIP) von den Sprachdaten (Payload, bsp. RTP) entkoppelt ist. Zwei speziell präparierte Clients bauen über den SIP-Proxy ein Gespräch auf und verhalten sich absolut standardkonform. Nach dem Gesprächsaufbau wird dem SIP-Proxy ein Gesprächsabbau signalisiert. Dieser sieht die Sitzung als beendet an und verbucht das Gespräch. Einzig der RTP-Datenstrom wird von den Clients aufrechterhalten. Die Gesprächspartner telefonieren dann kostenlos weiter.

Ein anderer sicherheitsrelevanter Bereich ist zwar nicht ausschließlich auf diese Technik begrenzt, wird jedoch durch die geringen Kosten, die für die Gespräche anfallen, begünstigt.

So besteht die Möglichkeit einer Art von „VoIP-Spam“, auch SPIT („Spam over Internet Telephony“) genannt.

Beim Vishing, dem Pendant zum Phishing, leiten Kriminelle arglose Bankkunden auf gefälschte Hotlines weiter, um sich deren Passwörter zu erschleichen.

Siehe auch

Usenet-Newsgroups

Das Usenet stellt für die Diskussion rund um die IP-Telefonie die folgenden Newsgroups bereit:

News

Literatur

Weblinks

<imagemap>-Fehler: Bild ist ungültig oder nicht vorhanden Wikibooks: IP-Telefonie – Lern- und Lehrmaterialien
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 Dieses Dokument entstammt in seiner ersten oder einer späteren Version der deutschsprachigen Wikipedia. Es ist dort zu finden unter dem Stichwort IP-Telefonie, die Liste der bisherigen Autoren befindet sich in der Versionsliste; die Originalfassung kann dort auch bearbeitet werden. Alle Texte der Wikipedia und ihre Derivate stehen unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation.


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