services multimédia sur réseaux – la voix sur ip

Services multimédia 1

Services multimédia sur réseaux – La voix sur IP

A. [email protected]

SRC2 Meaux 2008-2009

M22.4 - Réseaux et Services sur RéseauxModule complémentaire – Option poursuite d’études

courtes


Plan

Les nouveaux usages multimédia sur les réseaux et leurs contraintes

Utilisation de la voix sur IP

Les difficultés liées au protocole IP

Les protocoles de la voix sur IP

Conclusion


Les nouveaux usages multimédia sur les réseaux et leurs contraintes


La convergence IP

Autrefois : un réseau par type de données Voix : RTC Données : transpac Vidéo : TV ; radio

Désormais : un seul réseau quel que soit le type de données

Généralisation du modèle TCP/IP


Du Triple-Play au Quadruple-Play

Triple-Play : Une passerelle multimédia domestique

Internet, téléphone, TV FAI : ADSL, câble, Fibre optique

Quadruple-Play : Triple-Play + communications sans-fil

Accès à la vidéo, Internet et la voix via le téléphone mobile

Téléphones bi-modes : Basculement du réseau cellulaire au réseau WiFi domestique ou au réseau Wimax d’interconnexion.

L’offre triple-play


La nouvelle donne du multimédia sur Internet

L’utilisation de la TV sur IP dans le monde

Mesures et prévisions de trafic sur Internet


Les « nouvelles » applications sur Internet


Internet et téléphonie en France au 3ème trimestre 2008

Source : ARCEP (Autorité de Régulation des Communications électroniques et des Postes)

18,3 millions d’abonnements à Internet 94% d’abonnement haut débit Téléphonie IP = 44% du trafic émis au départ des postes

fixes En 1 an, de 37% du trafic téléphonique sur IP et de 13,5%

du trafic RTC 35% des abonnés ADSL accèdent à la TV

56,4 millions d’abonnés à la téléphonie mobile 31% des utilisateurs utilisent les services multimédia mobile

(Internet mobile, envoi de MMS) de 15% en 1 an 16% d’utilisateurs actifs des services de 3ème génération

(voix, visiophonie, télévision mobile, transferts de données…)


De nouvelles contraintes

Besoins de débits Consommation importante de la bande passante Impact du débit, des délais, de la gigue et des

pertes Délai ou latence : temps écoulé entre l’émission du

paquet et sa réception Gigue : variation de ce délai d’un paquet au suivant

Schéma : www.ant.developpement-durable.gouv.fr


Différentes contraintes pour différents trafics


Utilisation de la voix sur IP


Pourquoi la voix sur IP ? Comment ?

Pour l’utilisateur : réduction des coûts Pour l’opérateur : Convergence des réseaux Voix/Vidéo/Data un

seul réseau de transport combinant les trafics voix, vidéo, données

Applications : vidéo conférence, messagerie unifiée pour envoyer indifféremment des messages voix sur IP, électroniques ou télécopie via Internet

Avant 1996, solutions de voix sur IP reposant sur des architectures propriétaires (manque d’interopérabilité, impossibilité de se raccorder au réseau public…)

Depuis, élaboration d’un standard avec la création d’un groupe de travail de l’UIT regroupant plusieurs structures de normalisation

UIT-T (Union Internationale des Télécommunications, secteur Télécoms)

IETF (Internet Engineering Task Force) IMTC (International Multimedia Teleconferencing Consortium) ECTF (Entreprise Computer Telephony Forum) ETSI (European Telecommunication Standards Institute) International Teleconferencing Association International Multimedia Association.


Avantages et inconvénients

Toutes les solutions de téléphonie sur IP commencent par convertir la voix en paquets de données numériques. Ils sont ensuite transmis sur le net de la même manière que les autres types de trafic (web, mail, ftp…).

Avantages Gratuité des appels métropolitains (parfois internationaux) Simplicité d'utilisation Options pointues et gratuites (transfert, messagerie, etc).

Inconvénients Coût parfois plus élevé pour les appelants et appels vers

les numéros spéciaux Maîtrise des coûts parfois difficile (numéros 06, 07, 0800…) Qualité encore aléatoire du service : or client habitué à

celle du RTC Sécurité pas assurée (contrairement au RTC) Si la réseau est en panne, plus de téléphone !


VoIP / ToIP

La voix sur réseau IP, ou « VoIP » pour Voice over Internet Protocol, est une technique qui fait passer un signal audio sur Internet ou tout autre réseau supportant le modèle TCP/IP.

Cette technologie est notamment utilisée pour supporter le service de téléphonie IP = la « ToIP » (Telephony over Internet Protocol) qui, elle,

Est une application de la VoIP Implémente des fonctions et services téléphoniques Utilise des équipements qui permettent la téléphonie

sur IP

La ToIP fournit une architecture de téléphonie sur IP.


Comment transporter la voix sur IP ?

Diverses manières de transporter la voix sur IP Le téléphone par ADSL

Téléphonie à partir d’un combiné classique sur une ligne dégroupée. Utilisable même si l’ordinateur est éteint.

Les logiciels spécialisésEx. : Skype (100 millions d’utilisateurs en 2008), Qutecom (anciennement Wengo), Gizmo. Nécessitent un ordinateur. Skype est pré-installé désormais sur des téléphones WiFi et GSM.

La messagerie instantanée audioICQ, AIM, MSN et Yahoo Nécessitent un ordinateur.


Les équipements de la ToIP

Téléphones Softphones : Logiciels à installer sur un système

informatique Hardphones : Téléphones classiques disposant d’une

prise Ethernet IP-PBX (PABX – Private Automatic Branch

exchange)


La voix sur IP en entreprise

Economie car 1 seul réseau pour voix et données Minimise l'exploitation et l'administration et supprime le câblage

téléphonique. Utilisation croissante de la VoIP sur le réseau sans fil de l’entreprise.



Le système de VOIP peut se rajouter en complément sur un réseau téléphonique traditionnel existant avec une passerelle.

Il peut s'utiliser en full-IP pour une nouvelle infrastructure (nouvel immeuble par exemple avec uniquement du câblage catégorie 5 ou 6)



Pour éviter de faire gérer sa téléphonie par la DSI, une entreprise peut opter pour un Centrex.

Un Centrex IP est un IPBX hébergé et mutualisé. Il permet à une entreprise d'externaliser la gestion de son système de voix sur IP : un prestataire héberge pour elle le système téléphonique, devenu un véritable serveur informatique

Apparu début des années 2000 Offres de B3G, IC Telecom, Alter Telecom, Keyyo Business,

Celeste, SFR



Atouts et inconvénients du Centrex Economique pour une petite ou moyenne entreprise (évite

d’investir dans un IPBX) Maintenance externalisée La qualité de service dépend de la qualité de la liaison

entre le LAN et le Centrex Qu’en est-il de la sécurité lorsque les communications

sortent de l’entreprise ?

Une solution pour les organisations réparties (ex. : architecture du Crédit Immobilier de France)

Un IPBX dans la maison mère Un centrex pour les petits sites


La voix sur IP chez le particulier

Selon les terminaux utilisés, on distingue trois modes de téléphonie sur IP

Téléphonie entre micro-ordinateurs (« PC to PC » ) : Les deux correspondants utilisent librement un logiciel de téléphonie sur IP (type Skype).



Téléphonie entre micro-ordinateur et poste téléphonique (« PC to phone », « phone to PC »)

Il existe une passerelle chez l’ISP qui permet la connexion avec le RTC. C'est cette passerelle qui se chargera de l'appel du correspondant et de l'ensemble de la signalisation relative à la communication téléphonique (possible avec Skype).



Téléphonie entre postes téléphoniques (« phone to phone ») : utilisation d’une « box » qui réalise l'adaptation (type Freebox, Wengo…) entre postes téléphoniques (analogique ou numérique) et réseau IP


Les difficultés liées au protocole IP


Traitement de la voix sur le RTC

En téléphonie, bande passante de [300 ; 3400] Hz Signal échantillonné à la fréquence 8kHz et codé sur

8 bits Débit de 64 kbit/s

Les paquets de voix sont acheminés sur un réseau commuté : tous les paquets suivent le même chemin

Réservation des ressources sur le chemin pendant la communication contrôle de congestion

La gigue est nulle Latence faible

Le taux de pertes sur le RTC est faible

CANtt Signal codé PCM au

débit de 64 kbit/sVoix analogique


Traitement de la voix sur un réseau IP


Comparaison réseau IP / réseau commuté

Réseau IP Réseau commuté

Etablissement de la connexion

Mode non connecté Mode connecté

Etablissement d’un chemin dédié à la communication

Non Oui

Routage Adaptatif, chemin calculé par les routeurs instantanément

Déterministe : chemin unique durant la communication

Adresses Chaque paquet comporte des adresses source et destination

Aucune adresse ne transite sur le réseau, chemin unique

Ressources Pas de réservation Réservation du chemin pendant la durée de la communication

Acquittement Pas d’acquittements Les nœuds intermédiaires échangent des acquittements

Fiabilité Transmission non fiable : perte de paquets

Transmission fiable

Contrôle des congestions Aucun contrôle n’est effectué Contrôle par échange de crédits entre nœuds

Interconnexion des réseaux

Simple et naturelle Complexe

Résumé Réseau « stupide », robuste, universel. Système terminal « intelligent »

Système terminal « stupide ». Réseau « intelligent », fiable.


Les difficultés liées au routage IP

IP est un réseau best-effort (met tout en œuvre pour assurer l’arrivée des données à destination sans aucune garantie de qualité de service)

Délai non garantis Gigue non nulle : nécessite un buffer de

resynchronisation en bout de chemin Séquencement non garanti Pertes : font partie de la transmission IP, mais

doivent être minimiséesBON JOUR COM MENT VAS TU

TRéseau

IPBON COM MENTVAS TU

PerteVariation de délais : gigue

Inversion


La QoS exigée par la voix sur IP

Contrainte sur le délai de transmission (ou temps de latence). La voix exige de l’interactivité.

Recommandation IUT-T G114 : 4 classes de qualité et d’interactivité

Classe 1 - entre 0 et 150 ms : conversation normale Classe 2 - entre 150 et 300 ms: qualité acceptable Classe 3 - entre 300 et 700 ms: uniquement half duplex Classe 4 - au delà : plus de communication possible

Origine du délai :



Problème du phénomène d'écho = délai entre l'émission du signal et la réception de ce

même signal en réverbération Echo inférieur à 50 ms non perceptible Pour le service de ToIP, traitement de l’écho au niveau des

passerelles (écho généré par le passage 2 à 4 fils). Si traitement non effectué, service non utilisable avec des postes analogiques classiques

La gigue Les paquets doivent être transmis au récepteur en

respectant leur fréquence d’émission. Gigue provoquée par le choix du mode non connecté UDP

(paquets qui n’empruntent pas forcément le même chemin) et charge des routeurs traversés

En réception : buffer de compensation de gigue Gigue inférieure à 100 ms pour garder une qualité

acceptable



Taux de perte de paquets Avec UDP aucune garantie que les paquets arrivent à

destination Taux de perte de paquets dépendant de la qualité des

lignes empruntées et du dimensionnement du réseau Taux de perte de paquets inférieur à 20% pour avoir un

qualité de parole acceptable

Traitement de la voix (qualité de codage ou de compression)

Voix codée et compressée avant d’être encapsulée dans un paquet IP

Qualité du codeur évaluée par un critère de notation standard : MOS (Mean Opinion Score), classant les codeurs en 5 grandes classes (de 1 « mauvais » à 5 « excellent »)


Architecture d’un réseau VoIP Gateway :

Equipement de type passerelle qui permet l'interconnexion entre le réseau IP et le RTC, transforme la signalisation pour passer d’un réseau à un autre

Assure diverses fonctions, notamment le codage ou le décodage de la voix, la mise en paquet de la voix, le traitement des télécopies, l'annulation d'écho, etc. …

Gatekeeper (portier) Rôle : convertir les adresses et contrôler l’accès au réseau pour les

terminaux, les passerelles et les ponts de conférence D’autres services comme la gestion de largeur de BP et la

localisation des passerelles Le pont de conférences (MCU,

Multipoint Control Unit) Permet à trois terminaux ou +,

et aux passerelles de participerà une conférence multipoint

Les terminaux PC, IP phone, …



TCP est inadapté Les acquittements augmentent la latence Les paquets retransmis sont inexploitables car arrivent trop tard

Utilisation de UDP pour encapsuler les échantillons de voix Mais UDP a des failles

Ne gère pas le séquencement Ne permet pas d’évaluer les délais de transmission et la gigue

Les protocoles RTP et RTCP viennent compléter les failles d’UDP. Ils fournissent des informations temporelles permettant d’adapter le comportement des applications aux caractéristiques temporelles du réseau.

RTP s’occupe du transport de données en temps réel, mais ne gère pas les ressources du réseau et ne garantit pas de qualité de service.

RTCP permet d’envoyer des informations en retour à l’équipement émetteur.


Le protocole RTP (Real Time Protocol)

RFC 1889 Protocole de transport pour des paquets contenant des

données audio et/ou vidéo Protocole de bout en bout, encapsulé dans UDP

Précise le codage utilisé pour les données (audio - PCM, GSM, H261… - et vidéo - MPEG2, … -)

Ajoute aux paquets une estampille de date et un n° de séquence pour

Evaluer le délai et la gigue moyens subis par les flux Reconstituer la base de temps des flux (horodatage des

paquets : possibilité de resynchronisation des flux par le récepteur)

Réordonnancer les paquets, détecter les pertes de paquets et en informer la source

En-tête UDP En-tête RTP données

16 octets


Le protocole RTP

Malgré son nom, RTP ne permet pas des transmissions temps réel sur IP !!

Pas de réservation de ressources sur le réseau Pas de fiabilisation des échanges (pas de

retransmission automatique, pas de régulation automatique de débit)

Pas de garantie de délai dans la livraison et dans la continuité du flux temps réel

RTP peut être utilisé conjointement au protocole RTCP


Le protocole RTCP (RTP Control Protocol)

RFC 1889 ; utilisé conjointement à RTP

Il fournit des informations de contrôle Statistiques sur les données véhiculées (nb de paquets

envoyés, de paquets perdus, gigue, etc. … ) Localisation des problèmes Adaptation des transmissions au niveau des émetteurs (ex.

: changement du taux de compression)

Les paquets RTCP Rapport de réception d’un flux RTP (Ratio de paquets

perdus, dernier numéro de séquence reçu, gigue moyenne) Rapport d’émission d’un flux RTP (Identification du flux,

temps courant, nb paquets envoyés, nb octets envoyés) Description de la source (identifiant du flux RTP associé,

@mail de la source, nom de la source)


Fonctionnement conjoint de RTP/RTCP

RTP

Entête

Contenu : vidéo, audio, etc..

RTCP

Entête

Rapports de réception,

description

RécepteurRécepteur


Les protocoles de signalisation

La Voix sur IP met en œuvre les techniques télécoms sur un réseau à paquets normalisation de la signalisation nécessaire pour garantir l'interopérabilité des équipements

Signalisation : procédures pour établir, maintenir et fermer l’appel

Les protocoles non propriétaires standardisés : H323 : standard issu des travaux le UIT et de Microsoft

(Netmeeting compatible H323). S’inspire des réseaux télécoms SIP (Session Initiation Protocol) standardisé par l’IETF, avec une

philosophie réseaux IP MGCP (Multimedia gateway Control protocol), RFC 3435, est

complémentaire à H.323 ou SIP, et traite des problèmes d'interconnexion avec le monde téléphonique (SS7, RI)


Le protocole H323

1996, UIT (Union Internationale des Télécommunications) H323 normalise la transmission de la voix, de la vidéo et des

conférences audio ou vidéo sur IP et en assurant l’interfonctionnement de la téléphonie IP et des réseaux téléphoniques commutés

Il est très inspiré du monde des télécoms, car créé à partir de H320, protocole permettant la visioconférence sur le RNIS

Utilisé dans Microsoft Netmeeting, les routeurs Cisco…

Rôle Définition des normes de compression des flux audio et vidéo

supportées Définition des protocoles de signalisation pour l’interopérabilité

des équipements Limitation de la bande passante réservée pour chaque

communication Ceci en restant indépendant

vis-à-vis des applications et systèmes d’exploitation vis-à-vis du réseau physique supportant la communication

Les débits vont de 28 Kbps à 2 Mbps (pour la vidéo)


Les fonctions dédiées à H.323

Contrôle de la procédure d'appel : requête, établissement et suivi de l'appel

Gestion des flux multimédias : liste de codecs recommandés ou obligatoires

Gestion des conférences multipoint : modèle de conférence géré par une entité centrale (MCU)

Gestion de la bande passante : le gatekeeper devient un centre de contrôle et a les moyens de limiter les connexions et d'allouer la bande passante disponible

Interconnexion à d'autres réseaux : ATM, RNIS, RTC


Eléments de la norme H323

Quatre composants fondamentaux les terminaux (end points), généralement des PC équipés pour

l’audio ou la vidéo les unités de contrôle MCU (Multipoint control units) pour

contrôler les flux audio et vidéo lorsque plus de 2 utilisateurs sont connectés

les gatekeepers (GK) :élément logiciel qui fonctionne dans un PC, dans un MCU ou dans un routeur IP et capable de router un appel H.323 en fonction de l’adresse de destinataire contenue dans l’appel

les passerelles (gateways) pour la liaison avec des réseaux non IP


Q931

codecs

Les protocoles de la norme H.323

Initialisation, contrôle d’appel, raccrochage

Utilisation des canaux et leur capacité, choix des codecs

Transport des données audio et vidéo

Contrôle de qualité (ex. : renégociation de codec)

Enregistrement et authentification

Transport des data


Les ports utilisés dans la norme H323


Ex. : Communication « Point à Point » entre deux clients enregistrés auprès d'un Gatekeeper

Enregistrement de A et B auprès du GK, transmission de leur ID H323 et de leur @IP

A demande l'autorisation au GK de se connecter à B.

Si OK, A demande à B son état (libre ou non).

Si OK, GK transmet @IP_B à A. GK informe B qu'une

communication va avoir lieu avec A.

A entre directement en négociation avec B

A cite les codecs audio et vidéo supportés

B cite ses codecs compatibles Négociation de ports pour

l'audio (UDP), la vidéo (UDP) et les données (TCP).

Transmission des flux indépendamment les uns des autres sans passer par le GK.

Fermeture de session : avertissement du GK, libération des ports, arrêt des transmissions de contrôle.


Performances et utilisation de H323

Implémenté dans beaucoup de logiciels commerciaux et dans la plupart des solutions de visio-conférence

Mais nombreuses libertés prises par les fabricants réduction de l’interopérabilité

Problème avec les firewalls car ouverture de nombreux ports TCP et UDP de manière dynamique

Tendance à se faire remplacer par SIP


Le protocole SIP (Session Initiative Protocol)

RFC 3261, protocole de signalisation pour la téléphonie et la visioconférence

Simple, bonne intégration au monde IP

Il permet d’associer des supports audio, vidéo et de données à une session multimédia.

Il fonctionne en mode point-à-point : communication entre 2 machines = unicast

(ex. : téléphonie sur IP) diffusif : plusieurs utilisateurs en multicast, via une unité

de contrôle M.C.U (ex. : visioconférence) combinatoire : plusieurs utilisateurs pleinement

interconnectés en multicast via un réseau à maillage complet de connexions


Caractéristiques

Prend en charge L'authentification et la localisation des multiples

participants ; La négociation sur les types de média utilisables par les

différents participants en encapsulant des messages SDP (Session Description Protocol)

Ne prend pas en charge Le transport des données échangées durant la session

comme la voix ou la vidéo

Son point fort SIP étant indépendant de la transmission des données, tout

type de données et de protocoles peut être utilisé pour cet échange

SIP Messages SDP


Fonctions

SIP intervient aux différentes phases de l'appel Localisation du terminal appelé Analyse du profil et des ressources du destinataire Négociation du type de média (voix, vidéo, …), et

des paramètres de communication Disponibilité de l’appelé Etablissement et suivi de l’appel Gestion de fonctions évoluées : cryptage, retour

d'erreurs,…


Fonctionnement

SIP utilise des requêtes (code ASCII) émises par le client vers le serveur qui renvoie des réponses (sur 3 chiffres). Fonctionnement similaire à HTTP.

Les principales requêtes INVITE permet à un client de demander une nouvelle session ACK confirme l'établissement de la session CANCEL annule un INVITE en suspens BYE termine une session en cours REGISTER : utilisée par un client pour enregistrer son adresse

auprès du serveur auquel il est relié

Les codes de réponse sont similaires à HTTP. 100 Trying 200 OK 404 Not Found

Certains codes sont spécifiques à SIP. 180 Ringing 486 Busy


Fonctionnement

SIP définit un adressage SIP du type URL : user@host ou SIP: [email protected] [email protected] (Tél: (+33) 4.72.43.13.60) [email protected]

SDP (Session Description Protocol) RFC 2327 est le protocole utilisé pour formater le message


Les acteurs d’une session SIP

L’UAS (User Agent Server) : agent de la partie appelée. Application de type serveur

contacte l’utilisateur lorsqu’une requête SIP est reçue renvoie une réponse au nom de l’utilisateur

L’UAC (User Agent Client) : agent de la partie appelante. Application de type client qui initie les requêtes

Le Registrar Garde un registre dans une base de données avec les

correspondances des adresses SIP et IP

Le Serveur Proxy Prend en charge la couche routage (requêtes et

réponses SIP)


Le registrar


Le proxy SIP


Téléphone SIP vers Téléphone SIP

INVITE

2 WAY RTP CALL w/ SDP (ESTABLISHED)

SIP Phone A SIP Phone B

100 TRYING - (progress report code)

180 RINGING - (progress report code)

200 OK - (success - user accepted the call)

ACKCaller confirms receipt of the success code

200 OK (success)

BYE (terminates the call)

100 TRYING (progress report code)


Flux d’appel SIP avec un serveur Proxy

USER B

INVITE

INVITE

180 RINGING180 RINGING

200 OK

200 OK

ACK

ACK

BOTH WAY RTP CALL (ESTABLISHED)

BYE

200 OK

USER A PROXY

100 TRYING


Conclusion


Conclusion

Même si l’utilisation de la VoIP explose, la France a pris du retard sur d’autres pays

Maintien des 2 infrastructures en France, alors qu’ailleurs (Grande-Bretagne par ex.), le tout IP se généralise

Au niveau mondial, le ToIP reste encore bien moins rentable pour les opérateurs que le RTC (revenu moyen 6$ par mois par utilisateur)

Des efforts à faire au niveau de la sécurité Réseau routé beaucoup plus vulnérable et moins sûr que RTC Pb de la ToIP sur le WiFi

Un changement d’habitudes à prendre Qualité moins bonne que le RTC, or client habitué à très bonne

QoS du téléphone classique La gestion de la téléphonie en entreprise devient la tâche de la DSI

qui n’est pas habituée à rendre service à l’utilisateur final

A venir : VoIP et mobilité, généralisation de la continuité de service de la ToIP du GSM au WiFi, au Wimax…

services multimédia sur réseaux – la voix sur ip

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