Interlexikon-Voice over IP

DIMAWEB-Interlexikon (Fachbegriffe)

VOICE OVER IP (VOIP)

Allgemein

Die IP-TELEFONIE auch Internet-Telefonie oder Voice over IP (kurz VoIP) genannt, ist das Telefonieren über Computernetzwerke, welche nach Internet-Standards aufgebaut sind, also das Telefonieren über das Internet. Dabei werden für Telefonie typische Informationen, d. h. Sprache und Steuerinformationen beispielsweise für den Verbindungsaufbau, über ein auch für Datenübertragung nutzbares Netz übertragen.

Bei den Gesprächsteilnehmern können sowohl Computer, auf IP-Telefonie spezialisierte Telefonendgeräte, als auch über spezielle Adapter angeschlossene klassische Telefone die Verbindung herstellen.

Im Unterschied zum klassischen Festnetz, werden bei Voice over IP aber keine "Leitungen" geschaltet, sondern die Sprache in Pakete umgewandelt und jedes einzelne Paket für sich als IP-Paket übertragen. Diese IP-Pakete werden dann im Netzwerk (gleich ob LAN, WAN oder Internet) auf nicht festgelegten Wegen zu Ihrem Ziel gesendet.

Funktionsweise

Genau wie bei der klassischen Telefonie wird die Sprache als analoges Signal mit Hilfe eines Mikrofons am Hörer aufgenommen. Über einen Analog/Digital-Wandler werden diese Signale dann in ein digitales Format gewandelt und in entsprechende Audioformate kodiert. Hierfür stehen verschiedene Codecs zur Verfügung, die Sprache unterschiedlich komprimieren und daher letztlich eine unterschiedliche Qualität liefern. Je nach Komprimierung gehen Informationen verloren, die aber meist noch subjektiv als ganz gut empfunden werden.

Nach der Komprimierung der Daten werden diese über ein Netzwerk versendet. Dazu muss der kontinuierliche Datenstrom des Codecs in kleine Pakete unterteilt werden (Paketisierung), bevor sie in das Netz ausgesendet werden können. Im Netzwerk gibt es dann Knoten, so genannte Router, die die (IP-) Pakete bis zum Ziel leiten, teils über unterschiedliche Wege.

Beim Empfänger werden die Pakete zunächst in einem Puffer zwischengespeichert, bevor sie ausgelesen werden, einen Digital/Analog-Wandler durchlaufen und dann am Lautsprecher in menschliche Sprache gewandelt werden. Man kann an dieser Beschreibung leicht erkennen, dass keine dedizierten Leistungen dabei im Spiel sind sondern einzelne Datenpakete wie beim Paketdienst der Deutschen Post adressiert, vermittelt und ausgeliefert werden müssen.

Für die Übertragung der Daten wird bei Voice over IP derzeit das so genannte IP-Protokoll der Version 4 genutzt. Die Nachfolgeversion 6 ist zwar seit Mitte der 90er Jahre spezifiziert, ein Zwang zur Verbreitung bestand bisher aber noch nicht, auch wenn es in den nächsten 5 Jahren einen Wechsel geben wird. Leider ist dieses Protokoll verbindungslos und wird nach dem so genannten “Best Effort” Prinzip ausgeliefert, es gibt also keinerlei Garantien. Genau das ist auch der Grund, warum VoIP in der Qualität noch etwas schlechter ist. Das Nachfolgerprotokoll Version 6 bietet dagegen einen so genannten Quality of Service, also eine Dienstgüte, was diese Daten bevorzugt behandeln wird.

Verbindungsaufbau

Um eine Verbindung zu einem herkömmlichen Festnetzanschluss herzustellen, benutzt man so genannte Gateways (Vermittlungsrechner, “Übersetzer). Diese Gateways sind zum einen mit dem Computernetzwerk als auch mit dem normalen Telefonnetz verbunden und leiten die Anfragen in beide Richtungen weiter. Dabei werden die IP-Pakete auf der einen Seite in einen digitalen Bitstrom für die “Leistung” im ISDN übersetzt. Gleiches gilt auch für die Signalisierung eines Verbindungswunsches, der von SIP (Session Initiation Protokoll) auf der einen Seite in das D-Kanal-Protokoll vom ISDN auf der anderen Seite umgewandelt wird.

Ruft man also von seinem IP-Telefon eine Festnetznummer an, so wird diese über den Gateway ins Telefonnetz übertragen und die Verbindung wird durchgestellt. Diese Integration unterschiedlicher Netzwerke wird gemeinhin als “Konvergenz der Netze” bezeichnet. Der eigentliche Hintergrund einer Konvergenz ist aber nur noch ein Netzwerk zu haben, das alle Informationsarten integriert, nämlich Sprache, Daten, Video, Text und Bild.

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 Datenstroms zusammengesetzt werden können. Die im nachfolgenden aufgeführten Faktoren bestimmen die Qualität des Systems.

Im Intranet kann der Betreiber des Netzwerks autonom durch die Server-Konfiguration und die Routerausstattung sowie die Verteilung der Accesspoints die Qualität der Sprachübertragung bestimmen. Im Internet sind die an der gesamten Kette jeweils temporär beteiligten Provider bestimmend für die Übertragungsqualität.

Datenverarbeitungsmenge

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 typischerweise eine Datenrate von 64 kbit/s (Payload). Abhängig vom verwendeten Kompressionsverfahren beträgt die für die reine IP-Telefonie benötigte Bandbreite 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 (wie 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.

Datentransport und Laufzeit (Latenz)

Der Transport von Daten benötigt Zeit. Sie wird als Laufzeit bzw. Latenz (engl. delay oder latency) 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 gegebenenfalls Datenreduktion, Kompression und Dekompression der Daten hinzu. Bei der Telefonie (unabhängig davon mit welcher Technologie sie realisiert wird) stellen gemäß ITU-T-Empfehlung G.114 bis 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 höhere Paketverlustrate.

Paketverlust

Von Paketverlust spricht man, wenn gesendete Datenpakete den Empfänger nicht erreichen und deshalb verworfen werden. Bei Echtzeitanwendungen 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. Zudem gibt es bei vielen deutschen DSL-Providern eine so genannte 24-Stunden-Zwangstrennung, die dazu führt, dass bei ständig benutzter Leitung eine Trennung stattfindet.

Quellenangaben

IP-Telefonie: Sicherheit ist machbar (Grundlagen und Tipps)

Diplomarbeit zur Absicherung von VoIP-Installationen (Fachhochschule Brandenburg)

Wikipedia (Die IP-Telefonie)

und Eigene

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