Was ist VoIP und wie hat es sich entwickelt? – Kurth Electronic

Was ist VoIP und wie hat es sich entwickelt?

Was ist VoIP und wie hat es sich entwickelt?

Ob privat oder beruflich, der Telefonanschluss ist ein stetiger Begleiter innerhalb der Kommunikation. Die meisten Nutzer kennen noch die Möglichkeit der analogen Telefonie. Später folgten dann der ISDN-Anschluss sowie die ISDN-Telefone. Heutzutage werden Anrufe mit dem stetigen Abschalten von ISDN immer öfter über das Internet getätigt – diese Technologie nennt sich VoIP, Voice over IP.

In diesem Blogpost werden nun unter anderem folgende Fragen beantwortet: Wie funktioniert VoIP-Telefonie? Welche Möglichkeiten bietet der Umstieg auf die neue Technologie? Was bedeutet die digitale Umstellung für die Bestandsanlage?

1 Die Evolution von Analog zur IP-Telefonie

Bevor das Thema VoIP näher betrachtet wird, gilt es sich einen Überblick über die Evolution der Telekommunikationsverbindungen zu verschaffen. Gestartet wird mit dem klassischen analogen Telefonanschluss. Weiter geht es dann über die digitale Erweiterung mit ISDN bis hin zu VoIP.

VoIP-Schema. Links und rechts sind Endgeräte wie z.B. Telefon und Laptop abgebildet, die über das Internet miteinander verbunden sind.
Abb. 1: VoIP Schema – die Endgeräte sind über das Internet miteinander verbunden.

1.1 Wie funktionierte die analoge Telefonie?

Das Fernmeldenetz zur Telekommunikationsübertragung besteht aus Kupferdoppeladern (DA, zweiadrig). Zur Übertragung von analogen Signalen (Spannung und Strom) muss ein elektrisch leitendes Material wie z.B. Kupfer verwendet werden. Zur Nutzung eines analogen Anschlusses muss die Doppelader durch einen Übergabepunkt dem Nutzer zur Verfügung gestellt werden. Übergabepunkte des Nutzers können eine TAE-Dose oder UAE-Dose sein, an welchen das Endgerät angeschlossen wird. Die genutzten Endgeräte werden über das Fernmeldenetz mit einer Spannung, in der Regel 60 V, gespeist. Die Funktion des Rufaufbaus ist abhängig vom Endgerät und kann unter anderem durch ein elektrisches Impulswahlverfahren oder Mehrfrequenzwahlverfahren realisiert werden. Bei der analogen Telefonie ist die Anzahl der gleichzeitigen Telefonate auf Grund der Technik auf ein einzelnes Telefonat begrenzt. Die Verbindung der Gesprächspartner wird durch eine Direktschaltung der jeweiligen Doppeladern zueinander realisiert.

1.2 Welche Erweiterungen brachte ISDN mit sich?

ISDN ist die Abkürzung für Integrated Services Digital Network. Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei ISDN um ein digitales Netzwerk, speziell ein digitales Telefonnetz. Innerhalb dieses Netzes war es erstmals möglich, mehrere Dienste parallel zu nutzen und somit die Möglichkeiten der analogen Netze auszuweiten. Bei gewöhnlichen ISDN-Anschlüssen können entweder zwei Gespräche oder ein Gespräch und ein weiterer Dienst gleichzeitig ausgeführt werden, wie beispielsweise Fax oder Internet. Es können den jeweiligen Telefonen auch mehrere Rufnummern (maximal zehn) zugeteilt werden. Da es sich um das erste digitale Netz handelt werden die Sprachinformationen eines Telefonates nicht mehr analog übertragen, sondern in digitale Pakete umgewandelt. Die digitale Übertragung bringt zahlreiche Qualitätsverbesserungen mit sich: Digitale Signale können mit weniger Informationsverlust übertragen werden. Zusätzlich können die Signale während der Übertragung aufgefrischt werden. Dies verbessert die Sprachqualität von ISDN gegenüber Analog bei steigender Übertragungslänge erheblich.

1.3 Was ist VoIP?

Schematische Umwandlung von Sprache in digitale Signale
Abb. 2: Schematische Umwandlung von Sprache in digitale Signale

Bei VoIP (Voice over IP) handelt es sich um eine digitale Sprachübertragung über das Internet. Das klassische „Durchschalten“ von Aderpaaren der Nutzer ist auf Basis eines digitalen Anschlusses nicht mehr notwendig, da die Verbindung der Gesprächspartner über das Internet-Protokoll abgewickelt wird. Das VoIP-Telefon wandelt die analoge Sprache in digitale Pakete um. Diese werden über das Internet an die Zieladresse übertragen. Das Telefon an der Zieladresse empfängt die digitalen Pakete und wandelt diese wieder in eine analoge Sprache um. Dieser Vorgang ist in Abbildung 2 schematisch dargestellt. Für den Nutzer des Telefons ändert sich bei der Handhabung nichts. Dieser wählt, wie gewohnt, die Rufnummer des gewünschten Gesprächsteilnehmers und wartet auf die Verbindung.

2 Wie funktioniert das Telefonieren über VoIP?

Nach der Beschreibung der Evolution der Telefonie werden jetzt weitere wichtige Details bei VoIP betrachtet. Im folgenden Kapitel wird speziell die digitale Umwandlung von Sprache in Pakete und die Einbindung von VoIP-Endgeräten ins Netz beschrieben.

2.1 Was bedeutet digitale Konvertierung?

Oszilloskop-Kurve des gesprochenen Satzes „It's raining cats and dogs“.
Abb. 3: Sprachsignal eines kurzen Satzes
Grafik aus dem Medienportal der Siemens-Stiftung unter der CC BY-SA 4.0 international Lizenz
Unterschiedliche Abtastraten eines analogen Signals
Abb. 4: Unterschiedliche Abtastraten eines analogen Signals
Grafik von Wdwd unter der CC BY-SA 3.0-Lizenz

Die Kurve eines analogen Sprachsignals besteht aus Höhen und Tiefen. Bei der Konvertierung der analogen Sprache in ein digitales Signal kommt auf technischer Seite eine sogenannte Abtastung zum Einsatz. Dabei wird die Wellenform des Sprachsignals Stück für Stück abgetastet und in einzelne Datenpunkte, Samples genannt, konvertiert. Die Qualität des Sprachsignals ist direkt abhängig von der Abtastrate: Weniger Samples führen zu einer geringeren Klangqualität mit weniger natürlichem Klang. Im Gegenzug bedeutet dies aber automatisch, je feiner die Abtastrate und je höher die Auflösung, desto besser ist die Sprachqualität, aber umso größer ist auch das Datenvolumen der entstehenden Pakete.

VoIP-Kapselung
Abb. 5: VoIP-Kapselung
Grafik von Florian Roth unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation

Zur Reduzierung dieses Problems können die Datenpakete durch einen Codec kodiert und somit verkleinert werden. Der Codec (COder/DECoder) gibt hierbei vor, auf welche Weise die analogen Signale in digitale Signale konvertiert werden und umgekehrt. Das Endgerät auf der Gegenstelle decodiert die Pakete mit demselben Codec. Die Sprachqualität kann so bestmöglich gewährleistet werden. Dasselbe Prinzip wird z.B. bei Audiodateien im MP3-Format angewendet. Dieser Vorgang wird auch Kapselung genannt und ist in Abbildung 5 dargestellt. Die Datenpakete werden dann über die adressierte IP zum Beispiel im UDP oder RTP Format zwischen den beiden Endgeräten ausgetauscht.

2.2 Wie erreichen sich die IP-Telefone untereinander? Wo sind diese registriert?

Damit sich beide Endgeräte innerhalb des digitalen Datenverkehrs finden, benötigt jedes teilnehmende Gerät eine eigene Benutzerkennung. Mit dieser melden sich die Endgeräte jeweils auf einem sogenannten Registrar-Server an. Sobald ein Anruf ausgeführt wird, wird die spezifische Benutzerkennung vom Server in eine IP-Adresse aufgelöst und anschließend eine Verbindung über das Internet hergestellt.

Schematischer Rufaufbau über SIP. Endgerät A fragt bei einem Sip-Proxy die IP-Adresse von Endgerät B an. Dieser schlägt die IP-Adresse bei einem SIP-Registrar an und vermittelt diese an Endgerät A, so dass A und B eine Verbindung zueinander aufbauen können.
Abb. 6: Schematischer Rufaufbau über SIP

2.3 Was ist SIP?

Bei der Verbindung zwischen zwei Geräten können unterschiedliche Protokolle verwendet werden. Eines der bekanntesten und meistgenutzten Protokolle bei VoIP-Telefonaten ist das sog. SIP (Session Initiation Protocol). Die Verwendung von SIP ermöglicht die herstellerunabhängige Verbindung von Geräten. Die Gerätekennung wird über eine SIP-Adresse realisiert, diese ist ähnlich wie eine E-Mail-Adresse aufgebaut, wie zum Beispiel 11223344@beispiel.de. Die SIP-Endgeräte werden dann über den SIP-Registrierungsserver hinterlegt und sind dort auch erreichbar oder können darüber den Verbindungsaufbau zu einem anderen Telefon initiieren. Für das Telefongespräch sind die Server nach dem Aufbau nicht mehr notwendig (gespräch mitschneiden oder dass gespräche an mir vorbeilaufen). Es findet eine direkte Verbindung der Endgeräte miteinander in Echtzeit statt. Die fixe Zuweisung einer IP-Adresse an eine Rufnummer ist bei der Nutzung von SIP nicht sinnvoll, da den Endgeräten beim Verbinden mit dem Internet immer wieder neue IP-Adressen zugewiesen werden können. Die Verknüpfung einer Rufnummer mit einer IP-Adresse erfolgt bei der Anmeldung des Endgerätes an einem SIP-Server.

Bei der Nutzung von SIP sind die Protokolle des Verbindungsaufbaus und der Sprachkommunikation voneinander getrennt. Das Protokoll des Verbindungsaufbaus regelt und steuert den Auf- bzw. Abbau. Die Sprachverbindung selbst wird dann durch das Protokoll der Sprachkommunikation bereitgestellt. Einige der verwendeten Verbindungsstandards können in Tabelle 1 abgelesen werden.

Name Beschreibung Standard
SIP Session Initial Protocol IETF RCF326
SIPS Session Initial Protocol RCF326
H.323 Packet-based multimedia communications system ITU-T
ISDN over IP ISDN/CAPI
Jingle Erweiterung XMPP-Standard Google Talk

Tabelle 1: Verbindungsstandards
Quelle: IP-Telefonie – Wikipedia

Bei SIP handelt es sich um ein Kommunikationsmodell. Kommunikationsmodelle lehnen sich grundlegend an das sogenannte OSI-Schichtmodell an. Die Abkürzung OSI steht für „Open Systems Interconnection“. Auf Grundlage des OSI-Schichtmodells lässt sich die Kommunikation zwischen Systemen beschreiben.
Das Schichtmodell besteht aus 7 Schichten, sogenannten Layern, wobei innerhalb eines solchen eine spezifische Aufgabe beschrieben ist. Diese sind hierarchisch aufgebaut, wie in Abbildung 7 zu sehen ist. Der jeweils aufgeführte Layer und dessen Anwendung sind genau definiert. Die Zwischenschichten können jedoch angepasst oder sogar ausgetauscht werden. Somit ist die Adaptierung an verschiedene Systeme möglich, ohne dass die einzelnen Layer betroffen sind. Der Aufbau des OSI-Schichtmodells verläuft von Layer 1 „unten“ zu Layer 7 „oben“.

OSI-Schichtmodell
Abb. 7: OSI-Schichtmodell

3 Was genau wird für VoIP benötigt?

Neben den vielen Vorteilen von VoIP gegenüber der klassischen analogen Telefonie gibt es einige Grundvoraussetzungen, die erfüllt sein müssen, um eine reibungslose Kommunikation zu gewährleisten.

3.1 Welche Internetgeschwindigkeit ist notwendig?

Die benötigte Bandbreite pro Gespräch ist abhängig vom genutzten Codec und der gewünschten Qualität des Telefonats. Die benötigte Bandbreite liegt in der Regel zwischen 12 und 100 kBit/s. Bei einer Bandbreite von 100 kBit/s wird das Gespräch in HD-Qualität übertragen. Wichtig bei der Betrachtung der Bandbreiten ist, sich sowohl den Download als auch den Upload anzuschauen. Die Datenübertragung findet in beide Richtungen statt. Die benötigte Datenmenge ist im Bereich der privaten Datennutzung gering, bei einem Unternehmen addieren sich die parallel geführten Anrufe natürlich. In den meisten Fällen sind die Internetanschlüsse asynchron. Die Downloadrate ist um ein Vielfaches höher als die Uploadrate. Bei parallel geführten VoIP-Telefonaten könnte der Upload also zum Flaschenhals werden.

Download Upload
Internetanschluss 16 MBit/s 2,4 MBit/s
Belegung je Teilnehmer 0,1 MBit/s 0,1 MBit/s
Belegung bei 10 Teilnehmern 1 MBit/s 1 MBit/s
Belegung bei 20 Teilnehmern 2 Mbit/s 2 Mbit/s

Tabelle 2: Berechnung der benötigten Bandbreite für mehrere VoIP-Teilnehmer

Bei einem kleinen Unternehmen mit zum Beispiel 20 Mitarbeitern die parallel telefonieren könnten wird eine Bandbreite von etwa 2 Mbit/s benötigt, wie in Tabelle 2 ersichtlich. Bei einem Upload von maximal 2,4 Mbit/s wäre die Auslastung der Uploadbandbreite schon deutlich. Dementsprechend sollte bei der Nutzung von VoIP immer ein Augenmerk auf die Leistungsfähigkeit des vorhandenen Internetanschlusses gelegt werden.

3.2 Welche Zugangsmöglichkeiten sind nutzbar?

Die Digitalisierung des Gesprächsaufbaus bringt viele Vorteile beim Zugang mit sich. Grundlegend ist nur eine Internetverbindung notwendig. Die Basis, ob es sich um DSL, Kabel oder um einen Mobilfunkstandard handelt, spielt keine Rolle. Der Zugang kann dann zum Beispiel über einen Computer, eine Telefonanlage oder einen Router erfolgen. Das gewünschte Endgerät meldet sich über die zur Verfügung gestellte Internetverbindung auf dem Registrar-Server an und ist ab diesem Zeitpunkt erreichbar.

Zusammenfassung

VoIP hat die klassische analoge Telefonie weitgehend abgelöst. Anstatt eine physische Verbindung zwischen den Telefonen herzustellen, wir das Internet zur Datenübertragung genutzt. Spezielle Audiocodecs sorgen für eine gute Gesprächsqualität, während die notwendige Datenrate möglichst geringgehalten wird.

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