IP-PUHE PALVELUNLAATUOMINAISUUKSILLA VARUSTETUSSA INTERNETISSÄ

Transkriptio

1 TAMPEREEN TEKNILLINEN KORKEAKOULU Tietotekniikan osasto JUKKA KARJALAINEN IP-PUHE PALVELUNLAATUOMINAISUUKSILLA VARUSTETUSSA INTERNETISSÄ Diplomityö Aihe hyväksytty osastoneuvoston kokouksessa Tarkastajat: Prof. Jarmo Harju, Tampereen teknillinen korkeakoulu DI Pekka Uotila, Tampereen teknillinen korkeakoulu

2 Alkusanat Tämä diplomityö on tehty Tampereen teknillisessä korkeakoulussa tietoliikennetekniikan laitoksella osana Faster-tutkimusprojektia. Diplomityön rahoituksesta vastasivat Teknologian kehittämiskeskus TEKES ja projektiin osallistuneet yritykset. Haluan kiittää professori Jarmo Harjua diplomityön ohjauksesta ja rakentavista kommenteista. Kiitokset myös laitoksen työntekijöille kannustavasta ilmapiiristä ja yhteistyöstä. Erityiskiitokset Jussi Lemposelle teknisestä tuesta ja avustuksesta mittausten suorittamisessa. Tampereella Jukka Karjalainen Havumetsänkatu 27 A Tampere Puh ii

3 Tiivistelmä TAMPEREEN TEKNILLINEN KORKEAKOULU Tietotekniikan osasto Tietoliikennetekniikan laitos Jukka Karjalainen: IP-puhe palvelunlaatuominaisuuksilla varustetussa Internetissä Diplomityö: 49 sivua Tarkastajat: Prof. Jarmo Harju, Tampereen teknillinen korkeakoulu DI Pekka Uotila, Tampereen teknillinen korkeakoulu Tammikuu 2001 Avainsanat: IP-puhe, palvelunlaatu Internetin yleistymisen myötä puheen siirrosta IP-verkoissa on tullut viime vuosina suosittu tutkimuskohde. Tässä diplomityössä esitellään lyhyesti IP-puheen toimintaperiaate ja merkittävimmät siihen liittyvät protokollat ja standardit. Toinen tässä työssä käsiteltävistä aihepiireistä on palvelunlaatu IP-verkoissa. Perusongelmana IP-protokollan käytössä puheen siirtoon ovat reaaliaikaisten sovellusten vaatimukset alhaisesta viipeestä ja pakettihukasta, joita nykyiset IP-verkot eivät pysty takaamaan. Yksi kehitteillä olevista menetelmistä palvelunlaadun tarjoamiseksi IP-verkoissa on Differentiated Services (DS) -malli. Lähemmässä tarkastelussa on myös Simple Integrated Media Access (SIMA) -malli, joka on yksi DS-mallin käytännön toteutuksista. Työhön liittyvien mittausten tavoitteena oli tutkia puheen välitystä SIMA-mallin mukaisilla palvelunlaatuominaisuuksilla varustetussa IP-verkossa. Erityisenä tarkkailun kohteena oli SIMA:n palveluluokkien ja prioriteettitasojen vaikutus puheen laatuun. Mittauksissa havaittiin, että valitsemalla oikeat parametrien arvot SIMA-malli pystyy takaamaan paketeille myös ylikuormitustilanteessa alhaisen viipeen ja pienen pakettihukan. Mittausten perusteella voidaan todeta, että SIMA-malli tarjoaa hyvät edellytykset puheen siirrolle IP-verkoissa. iii

4 Abstract Tampere University of Technology Department of Information Technology Telecommunications Laboratory Jukka Karjalainen: Voice over QoS enabled Internet Master of Science thesis: 49 pages Supervisors: Prof. Jarmo Harju and M.Sc. Pekka Uotila January 2001 Keywords: Voice over IP, Quality of Service The transmission of voice over IP-based networks has become a popular target of studies because of the rapid growth of the Internet during the last few years. This thesis gives a brief introduction to the concept of VoIP as well as to the most important protocols and standards related to it. Another major subject discussed in this thesis is the quality of service in IP networks. As a part of this thesis delays and packet loss of VoIP packets were measured in the case of QoS enabled Internet. One of the problems is that IP networks can t give guarantees for low delay and small packet loss required by real-time VoIP applications. One way of providing quality of service in IP networks is the Differentiated Services (DS) model. The Simple Integrated Media Access (SIMA) model is an implementation of the DS model. This thesis describes the main ideas of both the DS and the SIMA model. The goal of these measurements was to examine the transmission of voice over IP network equipped with quality of service functions based on the SIMA model. Especially the effect of service classes and priority levels was studied. The results of these measurements show that the SIMA model forms a good basis for the voice transmission in IP networks. iv

5 Lyhenneluettelo ADPCM ATM DS DP GSM IEEE IETF IP ISDN ITU-T LAN MBR MCU MGCP NBR QoS PCM PSTN RTP RTCP SIMA TCP UDP VoIP WWW Adaptive Differential Pulse Code Modulation Asynchronous Transfer Mode Differentiated Services Drop Preference Global System for Mobile communications Institute of Electrical and Electronics Engineers Internet Engineering Task Force Internet Protocol Integrated Services Digital Network International Telecommunications Union Telecommunications Standardisation Sector Local Area Network Momentary Bit Rate Multipoint Control Unit Media Gateway Control Protocol Nominal Bit Rate Quality of Service Pulse Code Modulation Public Switched Telephone Network Real Time Protocol Real Time Control Protocol Simple Integrated Media Access Transmission Control Protocol User Datagram Protocol Voice over IP World Wide Web v

6 Sisällysluettelo Alkusanat...ii Tiivistelmä...iii Abstract...iv Lyhenneluettelo...v Sisällysluettelo...vi 1 Johdanto IP-puhekonsepti IP-puhearkkitehtuuri Päätelaite Yhdyskäytävä IP-puheen toimintaperiaate Puhekoodekit IP-puheen protokollapino IP-protokolla TCP-protokolla UDP-protokolla RTP-protokolla RTCP-protokolla H.323-standardi Päätelaite Yhdyskäytävä Portinvartija Monipisteneuvottelun hallintayksikkö MGCP-protokolla MGCP:n komponentit MGCP-viestit ja niiden rakenne Palvelunlaatu IP-verkoissa...27 vi

7 3.1 Miksi palvelunlaatua tarvitaan? Differentiated Services -malli DS-verkko Liikenteen luokittelu ja muokkaus SIMA-malli SIMA:n toiminta Reunasolmu Runkosolmu IP-puheen laatu kuormitetussa SIMA-verkossa Mittausjärjestelyt Käytetyt SIMA-parametrit Taustaliikenne Mittausten suoritus ja tulokset Yhteenveto...46 Viiteluettelo...48 vii

8 1 Johdanto Puheen siirto pakettikytkentäisten verkkojen yli ei ole mikään uusi keksintö, sillä sitä tutkittiin aktiivisesti jo 1970-luvun lopulla. Silloin puheen siirtokokeita tehtiin Arpanetissä, nykyisen Internetin edeltäjässä. Silloin ongelmaksi muodostui sen aikaisten tietokoneiden heikko suorituskyky. Reaaliaikaiseen puheen koodaukseen ja paketointiin tarvittiin erillinen laitteisto. Innostus puheen siirtoon Internetissä heräsi uudelleen 1990-luvun alussa ja varsinaiset normaaleille tietokoneen käyttäjille tarkoitetut sovellukset tulivat markkinoille vuonna Nykyisin ei enää tarvita mitään erillistä laitteistoa, vaan normaalien multimediatietokoneiden laskentateho on täysin riittävä. Internet-yhteyksien yleistyessä IPpuheesta eli puheen siirrosta IP-verkkojen yli on tullut houkutteleva mahdollisuus yrityksille ja myös kotikäyttäjille ennen kaikkea edullisten kaukopuheluiden vuoksi. Lisäksi IP-puhe mahdollistaa yrityksien puhelin- ja dataverkkojen yhdistämisen, mikä toisi merkittäviä etuja. IP-puhelinten yleistymisen esteenä ovat olleet puhelinohjelmien huono yhteensopivuus ja heikko puheen laatu. Yhteensopivuuteen ratkaisuksi on muodostumassa ITU:n H.323- standardi, jota jo nyt useat puhelinohjelmat tukevat. Heikkoon puheen laatuun puolestaan merkittävin syy on se, että IP-verkot soveltuvat huonosti puheen kuljetukseen. Hyvälaatuinen 1

9 puhe edellyttää verkolta pientä viivettä ja pakettihukkaa, joita IP-pohjaiset verkot eivät nykyisellään pysty takaamaan. Tällä hetkellä useilla tahoilla ollaan kehittämässä menetelmiä palvelunlaadun tarjoamiseksi IP-verkoissa. Yksi näistä on IETF:n kehittelemä Differentiated Services (DS) -malli, joka perustuu prioriteettien käyttöön IP-paketeissa. Eräs DS-mallin käytännön toteutuksista on nimeltään Simple Integrated Media Access (SIMA), jonka soveltuvuus IP-puheen siirtoon on tämän diplomityön tutkimuksen kohteena. Luvussa kaksi käsitellään IP-puhearkkitehtuuria ja esitellään IP-puheeseen liittyviä protokollia ja standardeja. Luvussa kolme käsitellään palvelunlaatua IP-verkoissa ja esitellään tarkemmin DS- ja SIMA-mallien periaatteet ja toiminta. Luvussa neljä käydään läpi suoritetut mittaukset ja niiden tulokset. Luvussa viisi on yhteenveto tästä diplomityöstä. 2

10 2 IP-puhekonsepti IP-puheella tarkoitetaan puheen siirtämistä lähettäjältä vastaanottajalle IP-protokollaan perustuvia verkkoja pitkin. Viime vuosien aikana IP-verkot ovat yleistyneet lähes räjähdysmäisesti kaikkialla mahdollistaen sen, että yhä useammilla ihmisillä on käytössään jonkin tyyppinen yhteys IP-verkkoihin. Näin ollen IP-puheesta on tullut huomioon otettava vaihtoehto perinteisen puhelinverkon rinnalle. Merkittävimpiä IP-puheen käyttämistä protokollista ovat Internet Protocol (IP), User Datagram Protocol (UDP) ja Real Time Protocol (RTP). IP-puhelinohjelmien yhteentoimivuuden parantamiseksi kehitetty H.323- standardi on myös olennainen osa IP-puhekonseptia. 2.1 IP-puhearkkitehtuuri IP-puhearkkitehtuuri tuntee kolme perusskenaariota, jotka on jaoteltu sen mukaan, millaisten IP-puhepäätelaitteiden välille yhteyttä ollaan muodostamassa. Perusskenaariot ovat tietokoneesta tietokoneeseen, tietokoneesta puhelimeen ja puhelimesta puhelimeen. Nämä skenaariot on esitetty kuvassa 1. 3

11 Kuva 1: IP-puhearkkitehtuuri Kaikkein yleisin tapaus on se, että molemmissa päissä on IP-verkkoon kytketty tietokone. Tällöin puhepaketit reititetään suoraan IP-verkon yli tietokoneesta toiseen. Yhteydenmuodostus voi tapahtua kahdella eri tavalla. Yksinkertaisin tapa on näppäillä suoraan sen henkilön IP-numero, jolle halutaan soittaa. Tällöin vastaanottajalla täytyy olla kiinteä IP-numero. Vaihtoehtoisesti yhteys voidaan muodostaa hakemistopalvelimen välityksellä. Hakemistopalvelimet ylläpitävät listaa käyttäjistä ja heidän IP-numeroistaan sekä yleensä näyttävät, ketkä ovat sillä hetkellä kytkeytyneinä verkkoon. Tarvitsee vain valita, kenen kanssa haluaa jutella, niin puhelinohjelma muodostaa yhteyden kyseisen henkilön IP-osoitteeseen. IP-puhelimen käyttäjiä on kuitenkin vielä melko vähän ja näin ollen soittomahdollisuudet ovat varsin rajalliset. Tämän vuoksi on kehitetty yhdyskäytäviä, joiden avulla on mahdollista 4

12 soittaa IP-puhelimista normaaleihin puhelimiin sekä päinvastoin. Loput kaksi skenaariota käyttävätkin yhdyskäytävää hyväkseen. IP-puhelimen ja normaalin puhelimen välisen yhteyden tapauksessa IP-puhepaketit reititetään normaaliin tapaan yhdyskäytävälle saakka, josta eteenpäin puhe etenee puhelinverkkoa pitkin vastaanottajalle. Viimeisessä vaihtoehdossa molemmissa päissä päätelaitteena on normaali puhelin. Puhelu etenee muuten perinteisen puhelun tapaan paitsi että se kulkee osan matkasta IP-verkkoa pitkin. Useimmiten tällaisessa tapauksessa puhelu kulkee kaukopuheluosuuden IP-verkkoa pitkin ja vain paikallispuheluosuudet puhelinverkossa. Näin menetellen kaukopuhelusta selvitään suunnilleen paikallispuhelun hinnalla. Nykyisin muutamat puhelinyhtiöt jo tarjoavat tällaista palvelua. [1] Päätelaite IP-puheen päätelaitteena toimii useimmissa tapauksissa tietokone, johon on asennettu jokin IP-puhelinohjelmisto. Laitteistovaatimukseksi ilmoitetaan usein 486-pohjainen tietokone, mutta mikäli käytetään suurta laskentatehoa vaativia puhekoodekkeja niin käytössä olisi hyvä olla teholtaan vähintään Pentium-luokan tietokone. Tietokoneessa tulee olla äänikortti, mikrofoni sekä kaiuttimet puheen lähetystä ja vastaanottoa varten. Äänikortin olisi hyvä olla tyypiltään full-duplex, eli sellainen, jolla puhetta voidaan sekä lähettää että vastaanottaa samanaikaisesti. Muutoin toisen pitää olla hiljaa toisen puhuessa eikä keskustelu muodostu kovinkaan luonnolliseksi. Lisäksi tarvitaan tietysti jonkinlainen verkkoyhteys, joka saisi mielellään olla kiinteä ja mahdollisimman nopea. Modeemiyhteyskin riittää, joskaan puheen laatu ei tällöin ole paras mahdollinen. Markkinoilla on nykyään myös ulkoisesti normaalin puhelimen näköisiä suoraan lähiverkkoon liitettäviä IP-puhelinlaitteita, joihin on integroitu kaikki tarpeellinen. Tällöin kommunikointi tapahtuu perinteiseen tyyliin luuriin puhuen, mikä tarjoaakin paremman äänen laadun kuin mikrofoni/kaiutin-yhdistelmä. 5

13 2.1.2 Yhdyskäytävä Yhdyskäytävä on laite, joka on kytketty samanaikaisesti sekä IP-verkkoon että perinteiseen puhelinverkkoon. Sen tehtävänä on muuttaa IP-puhelinsignaalit puhelinverkon signaaleiksi, IP-osoitteet puhelinnumeroiksi ja ennen kaikkea avata puhelinyhteyksiä IP-verkosta normaalin puhelinverkon suuntaan. Nykyiset yhdyskäytävät perustuvat yleisesti käytössä oleviin PC-laitteistoihin. Paljon prosessointia vaativat osat kuten äänen koodaus ja dekoodaus suoritetaan digitaalisilla signaaliprosessoreilla varustettuja lisäkortteja apuna käyttäen. 2.2 IP-puheen toimintaperiaate IP-puheen toimintaperiaate on varsin yksinkertainen. IP-puheen toimintaa on havainnollistettu kuvassa 2. Lähettävässä päässä puhe muutetaan päätelaitteessa puhekoodekin avulla bittivirraksi. Puheen tapauksessa näytteenottotaajuus on yleensä 8 khz. IP-puhelinohjelmistoissa näytteet luetaan äänikortilta tyypillisesti 20 millisekunnin jaksoissa tietokoneen muistiin, jossa ne koodataan bittijonoksi. Koska koodaus tapahtuu jaksoittain, täytyy bitit puskuroida muistiin tasaisen bittivirran aikaansaamiseksi. Puskurista bitit pakataan Real Time Protocol (RTP) -pakettien datakenttään. Mikäli sovellus ei käytä RTPprotokollaa, sijoitetaan bitit suoraan UDP-pakettien datakenttään. Tämän jälkeen paketit reititetään IP-verkon kautta vastaanottajan IP-osoitteeseen, jossa suoritetaan samat operaatiot kuin lähetyspäässäkin mutta käänteisesti. Vastaanotetut paketit järjestetään, puretaan ja puhenäytteet luetaan puskuriin, jonka jälkeen suoritetaan dekoodaus käyttäen samaa koodekkia kuin lähetyspäässä. Näin tuotettu puhesignaali siirretään kaiuttimiin, joissa ne muutetaan kuultavaksi puheeksi. [2] 6

14 Kuva 2: IP-puheen toimintaperiaate Nykyisin yhä useammat IP-puhelinohjelmistot käyttävät RTP-protokollaa erityisesti sen tarjoamien aikaleimojen vuoksi, jotka mahdollistavat vastaanottopäässä puhenäytteiden ajastuksen alkuperäiseen muotoonsa. 2.3 Puhekoodekit Puhekoodekkien tehtävänä on puhesignaalin muuttaminen bittijonoksi ja päinvastoin. Yksi tärkeimmistä tavoitteista puheen koodauksessa on puheen siirtoon tarvittavan bittinopeuden pienentäminen. Käytettäessä 8 khz:n näytteenottotaajuutta pakkaamaton puhe vaatii 64 tai 7

15 128 kbit /s suuruisen siirtonopeuden riippuen siitä, käytetäänkö näytteiden esittämiseen 8 vai 16 bittiä. Bittinopeuden pienentämiseksi useimmissa alhaisen bittinopeuden koodekeissa käytetään puheen mallinnusta. Puheen mallinnusta tukeva koodekki koostuu tyypillisesti kahdesta moduulista: analysointimoduulista ja syntetisointimoduulista. Analysointimoduuli analysoi puhesignaalia ja muodostaa sille parametriesityksen. Puhedatan sijaan vain nämä parametrit välitetään vastaanottopäässä sijaitsevalle syntetisointimoduulille, joka pyrkii niiden perusteella tuottamaan mahdollisimman tarkasti alkuperäisen kaltaista puhetta. Mitä enemmän aikaa analysointiin käytetään sitä parempi on äänen laatu. Tällöin kuitenkin koodaukseen kuluva kokonaisaika pitenee, mikä ei ole puhelinohjelmiston tapauksessa toivottavaa. Monimutkainen mallinnus myöskin lisää laskennan määrää ja vaatii siten tietokoneelta enemmän laskentatehoa. Tämä ei kuitenkaan nykyisten halpojen multimediaprosessoreiden aikana ole enää varsinainen ongelma. IP-puhelinsovelluksissa eniten käytettyjä koodekkeja ovat perinteinen G.711 (PCM), G.726 (ADPCM), G ja G.729. Lisäksi GSM ja suuri joukko valmistajakohtaisia koodekkeja on tarjolla. Osa tuotteista tukee lukuisia eri koodekkeja, osa vain yhtä tai kahta. Taulukossa 1 on esitetty yleisimpien koodekkien tarvitsemat kaistanleveydet. [3] Taulukko 1: Yleisimpien puhekaistan audiokoodekkien kaistanleveydet Koodekki Bittinopeus (kbit/s) G.711 / PCM 64 G , 6.3 G.726 / ADPCM 16, 24, 32, 40 G G.4K 4 GSM

16 2.4 IP-puheen protokollapino Tässä kappaleessa esitellään IP-puheen kannalta tärkeimmät, erityisesti puheen siirtoon liittyvät protokollat. IP-protokollan päällä käytetään puheen reaaliaikavaatimusten vuoksi enimmäkseen UDP-protokollaa TCP:n sijasta. UDP:n päällä useimmat IP-puhelinohjelmat käyttävät vielä lisäksi RTP-protokollaa. RTP on istuntokerroksen protokolla, jonka pääasiallinen käyttötarkoitus on puhepakettien aikaleimaus, mikä helpottaa puheen ajoitusta vastaanottopäässä. RTP vaatii toimiakseen myös RTCP-protokollan IP-protokolla Internet Protocol (IP) tarjoaa mekanismin informaation siirtoon kaikkien Internettiin kytkettyjen tietokoneiden välillä. Se piilottaa alla olevan verkon ylemmän tason protokollilta. Se on yhteydetön protokolla, missä jokainen paketti käsitellään erikseen. IP tarjoaa kaksi peruspalvelua: osoitteistuksen ja ylemmän tason paketin fragmentoinnin sekä uudelleen kokoamisen. IP ei anna mitään muita takeita pakettien perille pääsystä, luotettavuudesta, vuon valvonnasta tai virheiden korjauksesta kuin mitä linkkikerroksen protokollat tarjoavat, vaan olettaa ylempien kerrosten huolehtivan niistä. Tarkempi toiminta selviää helpoiten tarkastelemalle IP-paketin otsikon rakennetta, joka on esitetty kuvassa 3. Versio Pituus Palvelutyyppi Kokonaispituus IP-tunniste Liput Fragmentoinnin offset Elinaika Protokolla Otsikkokentän tarkistussumma Lähdeosoite Kohdeosoite Optiot + Täyte Kuva 3: IP-paketin otsikkokenttä 9

17 IP-paketin otsikon kentät ovat: Versio (4 bittiä) on versionumero. Nykyisin käytössä olevan version numero on neljä. Versio numero kuusi (Ipv6) on kehitteillä ja mahdollisesti korvaa nykyisen version tulevaisuudessa. Pituus (4 bittiä) ilmaisee IP-otsikon pituuden 32 bitin yksiköissä. Palvelutyyppi (8 bittiä) ilmaisee reitittimille, millaista palvelua kyseinen IP-paketti reitittimiltä haluaa. Kenttä määrittelee luotettavuus-, prioriteetti-, viive- ja kaistanleveysparametrit. Kokonaispituus (16 bittiä) ilmoittaa IP-paketin kokonaispituuden oktetteina, sisältäen otsikon ja databitit. IP-tunniste (16 bittiä) yhdessä lähde- ja kohdeosoitteiden kanssa yksikäsitteisesti yksilöi IP-paketin. Liput-kentän biteistä (3 bittiä) ensimmäinen ilmoittaa, onko paketti fragmentoitu, toinen kieltää fragmentoinnin ja kolmas ei ole nykyisin käytössä. Fragmentoinnin offset (13 bittiä) ilmoittaa kyseisen fragmentin sijainnin paketissa, jonka osa se on. Sijainti ilmoitetaan 64 bitin yksikköinä. Tästä seuraa, että fragmenttien datakenttien tulee olla pituudeltaan 64 bitin monikertoja. Elinaika (8 bittiä) ilmoittaa IP-paketin jäljellä olevan elinajan. Lukua vähennetään yhdellä joka kerta, kun reititin välittää paketin eteenpäin. Jos kentän arvo on nolla, reititin tuhoaa paketin. Tällä estetään paketteja kiertämästä verkossa pitkiä aikoja ja kuluttamasta turhaan verkon kapasiteettia. Protokolla (8 bittiä) ilmaisee ylemmän tason protokollan, jolle datakentän sisältö välitetään kohdeosoitteessa. Otsikon tarkistussumma (16 bittiä) on otsikosta laskettu tarkistussumma, joka tarkistetaan reitittimissä ja vastaanottopäässä laskemalla tarkistussumma uudelleen ja vertaamalla saatua arvoa alkuperäiseen. Mikäli luvut täsmäävät, paketti hyväksytään. Jos reititin muuttaa jonkin kentän arvoa, se myös laskee paketille uutta otsikkoa vastaavan tarkistussumman. 10

18 Lähdeosoite (32 bittiä) ilmoittaa lähettäjän IP-osoitteeen. Kohdeosoite (32 bittiä) ilmoittaa vastaanottajan IP-osoitteen. Optiot-kenttä sisältää lähettäjän haluamat optiot. Täyte ilmoittaa täytebittien määrän. Otsikon loppuun lisätään tarvittava määrä bittejä, joiden avulla otsikon pituus saadaan 32:lla jaolliseksi. Otsikon jälkeen tulevan datakentän tulee olla pituudeltaan jokin kahdeksan bitin monikerta. Otsikon ja datakentän yhteispituus voi olla maksimissaan oktettia. [4] TCP-protokolla IP ei anna mitään takeita pakettien perille menosta tai siitä, että paketit saapuvat vastaanottajalle oikeassa järjestyksessä. Transmission Control Protocol (TCP) on suunniteltu piilottamaan tämän tapaiset virheet ylemmiltä protokollakerroksilta. TCP on yhteydellinen kuljetuskerroksen protokolla ja on vaihtoehtoinen UDP:n kanssa. TCP-yhteys muodostetaan kahden portin välille. TCP-portin tunnisteena toimii porttinumero, joka yhdessä IP-osoitteen kanssa yksilöi jokaisen portin yksikäsitteisesti. TCP:n toiminta perustuu virheellisten pakettien uudelleenlähetykseen. Kun lähettäjä ei saa tietyn ajan kuluessa vastaanottajalta kuittausta lähettämälleen paketille, niin se lähettää kyseisen paketin uudestaan. Lähetysikkunan koko määrää sen, kuinka monta oktettia voidaan lähettää ilman että on saatu kuittauksia. IP-puheen tapauksessa uudelleenlähetetty paketti on yleensä hyödytön, koska se todennäköisesti saapuu vastaanottajalle liian myöhään. Tämän vuoksi TCP soveltuu IP-puheen osalta vain tehtäviin, joissa reaaliaikaisuutta ei vaadita, kuten esimerkiksi IP-puhelinyhteyksien signalointiin. Kuvassa 4 on esitetty TCP-otsikon rakenne, jota ei kuitenkaan tässä käydä tarkemmin läpi johtuen TCP:n vähäisestä roolista IP-puheessa. [5] 11

19 Lähdeportti Kohdeportti Oktetin järjestysnumero Kuittauksen järjestysnumero Varattu Liput Ikkunan koko Tarkistussumma Kiireellisen datan osoitin Optiot Täyte Kuva 4: TCP:n otsikkokenttä UDP-protokolla User Datagram Protocol (UDP) on IP-protokollan päällä toimiva kuljetuskerroksen protokolla, jonka pääasiallinen tarkoitus on erotella eri sovelluksille kuuluvat datapaketit verkkoon kytketyssä päätelaitteessa porttinumeroiden perusteella. UDP on yhteydetön protokolla, eli se ei varmista pakettien perillemenoa, vaan luottaa joko verkon kykyyn välittää paketti perille tai ylemmän protokollatason kykyyn toipua paketin katoamisesta. Itse asiassa UDP:lla on varsin vähän tehtäviä. Ainut olennainen lisäys IP:n tarjoamiin palveluihin on porttien osoitteistus porttinumeroiden muodossa. UDP:n otsikkokenttä, joka on kuvattu kuvassa 5, on varsin yksinkertainen. Alussa on 16 bitin mittaiset kentät lähde- ja kohdeporttinumeroita varten. Seuraavana oleva pituuskenttä ilmoittaa UDP-paketin pituuden. Lopuksi on vielä koko UDP-paketin sisällöstä laskettu tarkistussumma, joka tosin on optionaalinen. Yksinkertaisen ja kooltaan pienen otsikkokentän ansiosta UDP soveltuu hyvin lyhyiden puhepakettien siirtoon, ja kuten aiemmin jo on mainittu, suurin osa IP-puhelinohjelmista käyttää sitä TCP:n sijaan. [5] 12

20 Lähdeportti Pituus Kohdeportti Tarkistussumma Kuva 5: UDP:n otsikkokenttä RTP-protokolla Real Time Protocol (RTP) on suunniteltu tarjoamaan päästä-päähän kuljetuspalveluja reaaliaikavaatimuksia omaaville sovelluksille kuten interaktiiviset puhe- ja videosovellukset. Näitä palveluja ovat hyötykuorman tyypin tunnistus, järjestysnumerointi, aikaleimat ja liikenteen tarkkailu. Tyypillisesti RTP:aa käytetään UDP:n kanssa, mutta RTP on suunniteltu siten, että sitä voidaan käyttää minkä tahansa sopivan verkko- tai kuljetuskerroksen protokollan päällä. RTP tukee myös multicast-lähetyksiä, jos vain alla oleva verkko tarjoaa siihen mahdollisuuden. Huomattavaa on, että RTP ei itsessään tarjoa minkäänlaista mekanismia, joka takaisi pakettien toimituksen ajallaan vastaanottajalle, tai muitakaan takeita palvelunlaadusta. RTP ei myöskään oleta, että alla oleva verkko olisi luotettava tai että paketit saapuvat perille oikeassa järjestyksessä. Paketeissa olevat järjestysnumerot mahdollistavat alkuperäisen pakettijärjestyksen palauttamisen vastaanottopäässä. Aikaleimoja puolestaan käytetään pakettien välisten aikaerojen säilyttämiseksi. Riittävää puskurointia käyttäen verkon aiheuttaman viipeen vaihtelun vaikutus voidaan poistaa tehokkaasti ja aikaleimojen perusteella pakettien sisältö voidaan esittää myös ajallisesti alkuperäisessä muodossaan. 13

21 V P X CC M Datan tyyppi Järjestysnumero Aikaleima Synkronisaatiolähteen (SSRC) tunniste Osallisten lähteiden (CSRC) tunnisteet (0-15 kpl) Kuva 6: RTP:n otsikkokenttä Kuvassa 6 on esitetty RTP:n otsikon rakenne. Ensimmäiset kaksitoista oktettia ovat jokaisessa paketissa, sen sijaan loppuun sijoitettavat hyötykuormaan liittyvien synkronisaatiolähteiden tunnisteet lisätään otsikkoon tarpeen mukaan. Kenttien merkitykset ovat seuraavat: Versio (V) (2 bittiä) ilmoittaa, mistä RTP:n versiosta on kyse. Täyte (P) (1 bitti) ilmoittaa, sisältääkö paketti täyteoktetteja. Jos täytebitin arvo on yksi, niin kyseisen paketin loppuun on lisätty yksi tai useampia täyteoktetteja. Laajennus (X) (1 bitti) kertoo, onko otsikkolaajennus käytössä. Jos laajennusbitin arvo on yksi, niin kiinteää otsikkoa seuraa otsikkolaajennus. CSRC-laskuri (4 bittiä) ilmoittaa, kuinka monta CSRC-tunnistetta otsikko sisältää. Merkkibitin (M) (1 bitti) käyttötarkoitus vaihtelee riippuen kuljetettavan datan tyypistä. Hyötykuorman tyyppi (PT) (7 bittiä) ilmoittaa RTP-paketin hyötykuorman tyypin ja määrittelee, kuinka sovelluksen tulee se tulkita. Järjestysnumero (16 bittiä) ilmoittaa paketin järjestysnumeron. Arvoa lisätään yhdellä aina, kun RTP-paketti lähetetään. Vastaanottaja voi käyttää järjestysnumeroa paketin katoamisen havainnointiin ja alkuperäisen pakettijärjestyksen palauttamiseen. Aikaleima (32 bittiä) sisältää RTP-paketin ensimmäisen oktetin näytteistyshetken. Aikaleiman määritykseen käytetyn kellon tulee olla jatkuvasti ja lineaarisesti lisääntyvä sekä riittävän tarkka, jotta pakettien synkronointi ja viipeen vaihtelun laskenta aikaleimojen perusteella on mahdollista. Synkronisaatiolähteen tunniste (32 bittiä) identifioi synkronisaatiolähteen. Tunniste valitaan sattumanvaraisesti mutta kuitenkin niin, ettei kahdella samaan istuntoon 14

22 osallistuvalla synkronisaatiolähteellä ole samaa tunnistetta. Lähteen tunniste on määritelty siten, että se yksilöi yhden aika- ja järjestysnumeroavaruuden. Lähiverkkoosoitteen kuten IP-osoitteen käyttö tähän tarkoitukseen ei kelpaa, koska on mahdollista, että useampi käyttää samaa osoitetta. Kaiken lisäksi RTP on suunniteltu kuljetuskerroksen protokollasta riippumattomaksi. RTP-tulkit on suunniteltu huolehtimaan yhteentoimivuudesta eri osoiteavaruudet omaavien verkkojen kesken. Synkronisaatiolähteen valinta on helpompi toteuttaa satunnaisesti kuin varaustaulujen käyttö kahden eri osoiteavaruuden tapauksessa. Samalla tuloksena on pienempi todennäköisyys sille, että kahdella istuntoon osallistuvalla lähteellä olisi sama tunniste. Tällaisen harvinaisen tapauksen varalle on toteutettu toipumismekanismi. CSRC-tunnistelista (0-15 kertaa 32 bittiä) ilmoittaa niiden synkronisaatiolähteiden tunnisteet, jotka ovat osallistuneet RTP-paketin hyötykuorman tuottamiseen. CRSCtunnisteet lisätään listaan RTP-mikserissä, joka yhdistää eri lähteistä tulevia RTPpaketteja yhteen RTP-pakettiin. Audiopakettien tapauksessa kaikkien yhdistettävien pakettien SSRC-tunnisteet on listattu CSRC-listassa. Tämä on tarpeen äänen oikein esittämiseksi vastaanottopäässä. SSRC ja CSRC eivät ole olennaisia unicast-istunnoissa, jos sekä lähettäjä että vastaanottaja voidaan yksilöidä verkkoprotokollan lähdeosoitteen perusteella. Näin on esimerkiksi kahden osallistujan IP-puhelun tapauksessa, jolloin IP-osoite yksilöi lähteen. [6] RTCP-protokolla Real Time Control Protocol (RTCP) on RTP:n toimintaa tukeva protokolla, jota käytetään lähettäjän ja vastaanottajan väliseen kommunikointiin. RTCP:n toiminta perustuu säännöllisesti tapahtuvaan kontrollipakettien lähettämiseen kaikille istuntoon osallistuville. Kontrollipakettien jakelu tapahtuu datapakettien tavoin. RTCP:lla on neljä tehtävää: 15

23 1. Päätehtävänä on antaa palautetta datapakettien jakelun laadusta. Tämä on olennainen osa RTP:n toimintaa ja vastaa muiden kuljetuskerroksen protokollien vuon- ja ruuhkanhallintamekanismeja. Palautetta voidaan käyttää suoraan liikenteeseen mukautuvien koodekkien hallintaan, mutta IP-multicastin parissa tehdyt kokeet osoittavat, että palautteen saaminen vastaanottajilta on erittäin tärkeää pakettien jakeluongelmien ratkaisun kannalta. Palautteen antaminen on toteutettu lähettäjä- ja vastaanottajaraporttien muodossa. 2. RTCP luo jokaiselle RTP-lähteelle oman kuljetuskerroksen tunnisteen, kanonisen nimen (CNAME). Näin tehdään koska SSRC-tunniste voi muuttua istunnon aikana. Vastaanottajat käyttävät kanonisia nimiä pitäessään kirjaa istuntoon osallistuvista. Kanonista nimeä tarvitaan myös toisiinsa liittyvien voiden kuten esimerkiksi kuvan ja äänen synkronointiin. 3. Kaksi ensimmäistä tehtävää edellyttävät, että kaikki istuntoon osallistujat lähettävät RTCP-paketteja toisilleen. Näin ollen RTCP:n täytyy myös kontrolloida RTCP-pakettien lähetystiheyttä. Periaatteena on että mitä enemmän osallistujia niin sitä harvemmin kukin osallistuja lähettää RTCP-paketteja ja näin estetään liiallinen verkon kuormitus. 4. Neljäs optionaalinen tehtävä on istunnonhallintainformaation välittäminen kuten esimerkiksi osallistujien tunnisteiden näyttäminen käyttöliittymässä. Jokainen RTCP-paketti sisältää lähettäjä- tai vastaanottajaraportteja tai molempia samanaikaisesti. Raportit sisältävät tilastotietoja kuten lähetetyt paketit, kadonneet paketit ja viipeen vaihtelu sekä muita sovelluksille tärkeitä tietoja. [6] 16

24 2.5 H.323-standardi H.323 on ITU:n vuonna 1996 hyväksymä standardi, joka tarjoaa perustan audio-, video- ja datakommunikaatiolle IP-pohjaisten verkkojen yli [8]. Se mahdollistaa eri valmistajien multimediasovellusten toimivuuden keskenään niin, ettei käyttäjien enää tarvitse kärsiä yhteensopivuusongelmista. H.323 määrittelee päätelaitteen ja muut tarvittavat komponentit, jotka mahdollistavat multimediapalvelujen välittämisen palvelun laatua takaamattomissa pakettikytkentäisissä verkoissa [7]. H.323:n pääkomponentit ovat päätelaite (terminal), yhdyskäytävä (gateway), portinvartija (gatekeeper) sekä monipisteneuvottelun hallintayksikkö MCU (multipoint control unit). Kuva 7 esittää, kuinka komponentit sijoittuvat H.323 arkkitehtuurissa. [9] Kuva 7: H.323 arkkitehtuuri 17

25 2.5.1 Päätelaite Päätelaitteen tulee tukea reaaliaikaista kaksisuuntaista audiokommunikaatiota. Sen sijaan videon ja datan tukeminen ovat optionaalisia toimintoja. Kuva 8 esittelee H.323:n mukaisen päätelaitteen komponentit. Audion ja videon osalta standardi määrittelee käytettävät koodekit. Kaikki koodekit ovat jo olemassa olevia ITU-T:n standardeja, joista audiokoodekki G.711 eli perinteisen puhelinverkon PCM on pakollinen. Videota käyttävien päätelaitteiden tulee tukea H.261-koodausta. Lisäksi RTP-protokollaa on käytettävä audion ja videon siirrossa. Kuva 8: H.323 päätelaite Hallintatoimintojen osalta päätelaitteen tulee tukea H.245-ohjauskanavaa, Q.931:n mukaista puhelun merkinantoa ja RAS-kanavaa. H.245-ohjauskanava kuljettaa H.323:n toimintaan 18

26 liittyviä viestejä kuten mm. loogisten kanavien avaus ja sulkeminen, vuonohjaustiedot ja tiedot tuetuista koodekeista. RAS-merkinantoa käytetään kommunikointiin portinvartijan kanssa. Sen avulla mm. rekisteröidytään ja ilmoitetaan kaistan muutoksista. Jos portinvartijaa ei käytetä, niin RAS ei ole käytössä. Päätelaitteessa voi mahdollisesti myös olla tuki datapalveluille. Tällaisia palveluja ovat esimerkiksi dokumenttien jako, tiedostojen siirto ja jaettu virtuaalinen liitutaulu. Tällöin päätelaitteen tulee olla suosituksen T.120 mukainen Yhdyskäytävä Yhdyskäytävä on valinnainen komponentti H.323:ssa. Sitä ei tarvita, jos yhteyksiä ei muodosteta LAN-verkkojen ulkopuolelle. Yhdyskäytävä tarjoaa monia palveluja, joista tärkein on tulkkina toimiminen H.323-päätelaitteiden ja muun tyyppisten päätelaitteiden välillä. Tulkkaus pitää sisällään muunnokset tiedonsiirtoformaattien, puhelun hallintakäytäntöjen sekä audio- ja videokoodauksien välillä. Tärkeimmät toiminnot, joihin yhdyskäytävää käytetään, ovat yhteyksien avaus julkiseen puhelinverkkoon, yhteyksien avaus ISDN-verkon yli H.320-päätelaitteisiin ja yhteyksien avaus H.324-etäterminaaleihin. Piirikytkentäisen verkon päätelaitteille yhdyskäytävä näyttää toiselta päätelaitteelta. Yhdyskäytävä kommunikoi H.323-päätelaitteiden kanssa käyttäen H.245- ja Q.931- protokollia. Suuri osa yhdyskäytävän toiminnoista on jätetty toteutuksen suhteen avoimiksi. Määrittelemättä on mm. jätetty tuettavat audio- ja videokoodauskonversiot samoin kuin samanaikaisten yhteyksien määrä sekä LAN- että puhelinverkon suuntaan Portinvartija Portinvartija on H.323-standardia tukevan verkon tärkein komponentti, sillä se toimii keskuksena kaikille oman alueensa puheluille ja tarjoaa puhelun hallintapalveluja kaikille 19

27 rekisteröityneille päätelaitteille. Sen päätehtävänä on pitää LAN toimintakuntoisena hallitsemalla puheluiden viemää verkon siirtokapasiteettia. Kapasiteettia voidaan hallita esimerkiksi asettamalla raja yhtäaikaisten puhelujen määrälle, ja kun raja ylittyy niin uusia puheluita ei enää sallita. Tällä tavoin puheluiden käyttämää siirtokapasiteettia voidaan rajata ja varmistaa, että muullekin liikenteelle kuten sähköpostille ja tiedostojen siirrolle jää riittävästi tilaa. Toinen tärkeä tehtävä on muuttaa LAN-aliaksia IP-osoitteiksi. Valinnainen mutta erittäin hyödyllinen portinvartijan toiminto on kyky reitittää H.323- puheluita. Reitittämällä puhelut portinvartijan kautta niitä voidaan hallita tehokkaammin. Tällöin esimerkiksi puhelu voidaan ohjata toiseen päätelaitteeseen mikäli puhelun kohde ei ole tavoitettavissa tai mahdollisesti tasata yhdyskäytävien kuormitusta ohjaamalla puhelu perille vaihtoehtoista reittiä pitkin. Muita portinvartijan tehtäviä ovat yhdyskäytävän hallinta, osallistuminen puheluiden avauksen merkinantoon ja lokitiedoston ylläpitäminen puheluista. Portinvartija ei ole kuitenkaan pakollinen osa H.323-järjestelmää. Mutta jos portinvartija on käytössä, niin päätelaitteiden täytyy käyttää sen tarjoamia palveluja hyväkseen Monipisteneuvottelun hallintayksikkö Monipisteneuvottelun hallintayksikkö tukee kolmen tai useamman päätelaitteen välisiä konferensseja. Se koostuu monipistekontrollerista (multipoint controller), joka on pakollinen, sekä mahdollisesti yhdestä tai useammasta monipisteprosessorista (multipoint processor). Monipistekontrolleri käsittelee päätelaitteiden väliset H.245-neuvottelut ja selvittää osallistuvien päätelaitteiden audion- ja videonkäsittelykapasiteetin. Se myös kontrolloi konferenssin kulkua määrittelemällä, mitkä konferenssiin liittyvät audio- tai videovuot tulee lähettää multicast-lähetyksinä ja mitkä suorina pisteestä-pisteeseen -yhteyksinä. Monipisteprosessori puolestaan sekä yhdistää, kytkee että prosessoi voita ja lähettää näin muodostetut vuot konferenssin osallistujille. 20

28 2.6 MGCP-protokolla Media Gateway Control Protocol (MGCP) on tällä hetkellä Internet draft -vaiheessa oleva protokolla, jonka tehtävänä on hallita jo aiemmin tässä diplomityössä esiteltyjä IP- ja puhelinverkkoja yhdistäviä yhdyskäytäviä ja niiden kautta kulkevia puheluita. Protokolla määrittelee erillisen yhdyskäytävien hallintayksikön nimeltään puheluagentti, jonka hallinnon alaisuuteen voi kuulua yksi tai useampia yhdyskäytäviä. Yhdyskäytävän tehtävänä on puolestaan muuntaa puhelinverkon audiosignaalit Internetin tai muun pakettipohjaisen verkon datapaketeiksi ja päinvastoin. MGCP:n puheluagentti ja yhdyskäytävä vastaavat toiminnoiltaan H.323:n portinvartijaa ja yhdyskäytävää ja pystyvät toimimaan osana H.323:n mukaista järjestelmää. Tämä ei kuitenkaan merkitse sitä, että MGCP:n pitäisi olla osa H.323:a, vaan se voi toimia täysin itsenäisesti. [10] MGCP kohtelee eri tavoin eri tyyppisiä IP-puhelinyhdyskäytäviä. MGCP:n määrittelemät yhdyskäytävät on esitetty kuvassa 9. Runkoyhdyskäytävä operoi perinteisen puhelinverkon ja IP-verkon välillä. Paikallinen yhdyskäytävä operoi perinteisen puhelinverkon päätelaitteen ja IP-verkon välillä. ATM-yhdyskäytävä on muuten sama kuin runkoyhdyskäytävä paitsi että se toimii ATM-verkon ja IP-verkon välillä. Pääsy-yhdyskäytävä tarjoaa puhelinkeskukselle rajapinnan IP-verkkoon. MGCP määrittelee puheluagentin ja yhdyskäytävän väliset operaatiot. Järjestelmän älykkyys sijaitsee puheluagentissa, jonka tehtävänä on huolehtia puheluiden muodostukseen tarvittavasta signaloinnista sekä puheluiden hallinnasta. Puheluagentti jakelee yhdyskäytäville käskyjä, jotka ohjaavat niiden toimintaa. Kuva 10 havainnollistaa MGCP:n toimintaa. Kuten kuvasta käy ilmi, puheluagentit keskustelevat myös keskenään. Puheluagenttien välisiä operaatioita MGCP ei kuitenkaan määrittele. 21

29 Kuva 9: MGCP:n yhdyskäytävätyypit MGCP:n komponentit Johtuen siitä, että puheluoperaatiot ovat luonteeltaan yhteydellisiä myös MGCP on toiminnaltaan yhteydellinen protokolla. Se tukee perinteisiä puhelinoperaatiota kuten hälytys, luurin nosto jne. MGCP:n muodostamat ja hallinnoimat puheyhteydet ovat päätepisteiden välisiä. Päätepisteet edustavat datan lähteitä ja kohteita. Päätepisteet voivat olla fyysisiä tai virtuaalisia. Esimerkkinä fyysisestä päätepisteestä on runkokaapelin liityntä yhdyskäytävään, kun taas fyysisessä päätepisteessä toimiva ohjelmistomoduuli on esimerkki virtuaalisesta päätepisteestä. Päätepisteet yksilöidään nimien avulla, jotka ovat kaksiosaisia. Ensimmäisen osan muodostaa sen yhdyskäytävän verkko-osoite, jossa päätepiste sijaitsee. Toinen osa on 22

30 Kuva 10: Puheluagentit ja yhdyskäytävät päätepisteen yhdyskäytävän sisäinen paikallinen nimi. MGCP:n päätepisteiden täytyy korreloida puhelinverkoissa käytetyn SS7:n vastaavien komponenttien kanssa. SS7-verkossa päätepisteet vastaavat esimerkiksi vaihteita yhdistäviä runkokaapeleita. MGCP:n tehtävänä on muuntaa tarvittaessa päätepisteiden nimet vastaaviksi SS7-verkon tunnisteiksi. Yhteyksien hallinta tapahtuu päätepisteiden kautta. Yhdyskäytävä muodostaa yhteydet puheluagentin pyynnöstä. Jokaisella yhteydellä on oma yhteystunnisteensa, joka liitetään kaikkiin niihin päätepisteisiin, joiden kautta kyseinen yhteys kulkee. Yhteydet voidaan ryhmitellä puheluiksi. Kaikilla puheluilla on myös omat tunnisteensa, joiden täytyy olla yksilöllisiä koko järjestelmän laajuisesti. Puheluagentti voi muodostaa useita samaan puheluun liittyviä yhteyksiä ja puhelutunnistetta tarvitaan, jotta protokolla voi ymmärtää nämä yhteydet samaan puheluun kuuluviksi. 23

31 Kuva 11: MGCP:n komponentit Puheluiden hallintaan MGCP käyttää tapahtumia ja paketteja, jotka ovat eräänlaisia päätepisteen ominaisuuksia. Paketti on joukko tapahtumia ja signaaleja, joita tietyn tyyppinen päätepiste pystyy tarjoamaan. Esimerkkejä tapahtumista ovat hälytys- ja luuri nostettusignaalit. Kuvan 11 tarkoituksena on selventää käsitteiden päätepiste, yhteys, puhelu, tapahtuma ja paketti merkitystä. Yhteys on aina jossakin seuraavista tiloista: lähetys, vastaanotto, lähetys/vastaanotto, konferenssi, data, ei-aktiivinen, paikallissilmukka, jatkuvuustesti, verkkosilmukkatesti ja verkon jatkuvuustesti. Yhteyden tila määrää sen, kuinka puhesignaalia käsitellään. Vastaanotto-, lähetys/vastaanotto- tai konferenssitilassa olevien yhteyksien kautta saadut puhedatapaketit yhdistetään ja lähetetään päätepisteelle, kuten esimerkiksi IP-puhelinohjelmalle. Vastaavasti päätepisteeltä saapuvat paketit lähetetään kaikille yhteyksille, joiden tila on lähetys, lähetys/vastaanotto tai konferenssi. Kaikista konferenssitilassa olevista yhteyksistä saapuvat puhedatapaketit lähetetään päätepisteen lisäksi myös kaikille muille konferenssitilassa oleville yhteyksille. 24

32 2.6.2 MGCP-viestit ja niiden rakenne Puheluagentti ja yhdyskäytävä keskustelevat toistensa kanssa lähettämällä erilaista viestejä toisilleen. Näiden viestien tarkoitus on hallita yhdyskäytävän toimintoja, joista tärkeimpiä ovat yhteyksien luominen ja poistaminen, sekä toisaalta pitää puheluagentti ajan tasalla yhdyskäytävän päätepisteiden tapahtumista. MGCP määrittelee kahdeksan viestityyppiä jotka ovat: NotificationRequest: Puheluagentin pyyntö yhdyskäytävälle tarkkailla joitakin tiettyjä tapahtumia. Notify: Yhdyskäytävän vastaus, jolla informoidaan puheluagenttia kun jokin tietty tapahtuma esiintyy. CreateConnection: Puheluagentin pyyntö yhdyskäytävälle luoda uusi yhteys. ModifyConnection: Puheluagentin pyyntö yhdyskäytävälle muokata olemassa olevan yhteyden parametreja. DeleteConnection: Puheluagentin pyyntö yhdyskäytävälle poistaa yhteys ja lisäksi myös yhdyskäytävän tapa informoida puheluagenttia jos jotain yhteyttä ei voida enää ylläpitää. AuditEndpoint: Puheluagentin pyyntö yhdyskäytävälle ilmoittaa jonkin tietyn päätepisteen tilatiedot. AuditConnection: Puheluagentin pyyntö yhdyskäytävälle ilmoittaa jonkin tietyn yhteyden tilatiedot. RestartInProgress: Yhdyskäytävän ilmoitus puheluagentille kun kyseinen yhdyskäytävä on poissa käytöstä tai palannut takaisin toimintaan. MGCP-viestin rakenne on esitetty kuvassa 12. Ensimmäisenä kaikissa viesteissä on komentorivi, joka koostuu neljästä osasta. Komentorivin alussa on nelikirjaiminen viestityypin tunniste, joka kertoo mikä kahdeksasta viestityypistä on kyseessä. Seuraavina tulevat tapahtumanumero ja viestin kohteena olevan päätepisteen nimi. Komentorivin päättää tieto siitä, mitä MGCP:n versiota viesti edustaa. Komentoriviä seuraa viestin tyypistä 25

33 riippuva määrä parametririvejä. Parametririvi koostuu parametrin nimestä ja kyseisen parametrin arvosta. Viestityypin tunniste Tapahtumanumero Päätepiste Versio Parametrin nimi: Parametrin arvo Parametrin nimi: Parametrin arvo... Kuva 12: MGCP-viestin rakenne 26

34 3 Palvelunlaatu IP-verkoissa Palvelunlaadulla tarkoitetaan verkon sovelluksille tarjoaman palvelun hyvyyttä. Yleisesti käytettyjä palvelunlaadun mittareita ovat viive, viipeen vaihtelu, pakettihukka ja kaistanleveys. Uudentyyppisten reaaliaikaisten sovellusten nopean yleistymisen myötä on syntynyt tilanne, jossa IP-verkkojen tarjoama best effort-tyyppinen palvelu ei ole enää riittävä kaikille sovelluksille. Yksi kehitteillä oleva menetelmä palvelunlaadun tarjoamiseksi IP-verkoissa on IETF:n Differentiated Services (DS) -malli. Simple Integrated Media Access (SIMA) puolestaan on eräs DS-mallin käytännön toteutuksista, jossa palvelunlaatuluokat perustuvat IP-paketeille annettaviin prioriteetteihin. 3.1 Miksi palvelunlaatua tarvitaan? Nykyisten IP-verkkojen tarjoama palvelu on best effort-tyyppistä, eli pyritään tarjoamaan paras mahdollinen palvelu mutta mitään takeita ei anneta. Tämä palvelu on riittävä perinteisten ei-reaaliaikaisten sovellusten kuten www:n, sähköpostin ja tiedostojen siirron tapauksissa. IP-verkkoa käyttävien multimediasovellusten nopea yleistyminen on luonut 27

35 tarpeen palvelunlaatuluokille IP-verkkoissa. On syntynyt tilanne, jossa eri sovelluksilla on erilaiset tarpeet palvelunlaadun suhteen. Tiedoston siirron kannalta on tärkeää, että kaikki paketit menevät perille, viipeellä ei ole merkitystä. Reaaliaikaiset sovellukset kuten IPpuhelin tai videokonferenssi vaativat toimiakseen pientä viivettä ja viipeen vaihtelua sekä mielellään vakiona pysyvän kaistanleveyden. Koska molemmissa päissä on ihminen, suuri viive vaikeuttaa kommunikointia ja aiheuttaa mm. päällekkäin puhumista. Tutkimuksissa on todettu, että jotta puhelinkeskustelu olisi sujuvaa edestakaisen viipeen tulee olla alle 400 millisekuntia [11]. Sen sijaan pieni pakettihukka ei haittaa, sillä korva ei huomaa pientä virhettä äänen laadussa. Radion kuuntelu tai videon katselu verkon yli puolestaan sietää enemmän viivettä, koska yksisuuntaisuuden ansiosta paketteja voidaan puskuroida vastaanottopäässä enemmän. 3.2 Differentiated Services -malli Differentiated Services (DS) -malli on IETF:n kehittelemä menetelmä palvelunlaadun tarjoamiseksi IP-verkoissa. DS-arkkitehtuuri perustuu malliin, jossa verkkoon saapuva liikenne luokitellaan ja mahdollisesti muokataan verkon reunoilla. Luokittelun perusteella liikenne jaetaan liikenneluokkiin. Jokaista liikenneluokalla on oma tunnisteensa, joka on nimeltään DS-koodi. Runkoverkossa pakettien välitys tapahtuu niiden DS-koodiin liittyvän palvelumallin mukaisesti. [12] DS-verkko DS-verkko koostuu joukosta toisiinsa liitettyjä DS-solmuja, jotka kaikki tukevat samoja luokitteluperiaatteita ja palvelumalleja. DS-solmu on tyypiltään joko reunasolmu tai runkosolmu. Reunasolmut liittävät DS-verkon toisiin DS-verkkoihin tai muihin verkkoihin. Runkosolmut sen sijaan liittyvät vain joko reunasolmuihin tai toisiin runkosolmuihin. Reunasolmut muodostavat nimensä mukaisesti DS-verkon reunan. Ne luokittelevat ja 28

36 tarvittaessa muokkaavat sisään tulevaa liikennettä taaten sen, että paketit ovat asianmukaisesti merkittyjä ja ne voidaan yhdistää verkon solmuissa johonkin DS-verkon tukemista palvelumalleista. Palvelumallilla tarkoitetaan sitä tapaa, jolla paketteja kohdellaan DSsolmuissa. DS-verkko tyypillisesti koostuu yhdestä tai useammasta yhteisen hallinnon alaisesta verkosta. Esimerkkejä tällaisista verkoista ovat yrityksen intranet ja Internet-palveluntarjoajan verkko. Verkonhallintahenkilöstö on velvollinen huolehtimaan siitä, että verkon resurssit ovat riittävät käyttäjien kanssa tehtyjen palvelusopimusten mukaisen palvelun tarjoamiseksi. DSverkon rakenne on esitetty kuvassa Liikenteen luokittelu ja muokkaus Liikenteen luokittelu ja muokkaus tapahtuu pääosin reunasolmuissa. Paketit luokitellaan niiden otsikon sisällön perusteella. Luokittelu voi tapahtua joko pelkästään DS-koodin Kuva 13: DS-verkon rakenne 29

37 perusteella tai useiden eri kenttien kuten lähdeosoitteen, kohdeosoitteen, lähdeportin, kohdeportin ja protokollatunnisteen yhdistelmän perusteella. Ennalta määrättyjen sääntöjen perusteella paketit jaetaan eri liikenneluokkiin. Tämän jälkeen suoritetaan mahdollinen liikenteen muokkaus. Liikenteen muokkauksen tarkoituksena on huolehtia siitä, että jokaisen liikenneluokan paketit noudattavat luokkakohtaista liikenneprofiilia. Kuvassa 14 on esitetty liikenteen luokittelijan ja muokkaajan lohkokaavio. Muokkaaja koostuu neljästä toiminnallisesta elementistä, joiden tehtävinä ovat liikenteen mittaus, merkintä, muokkaus ja poisto. Liikennemittari vertaa luokittelijalta saapuvan pakettivirran hetkellisiä ominaisarvoja liikenneprofiilissa määriteltyihin vastaaviin arvoihin. Vertailun tuloksen perusteella määräytyy, onko liikenne profiilin mukaista vai ei. Liikennemittari voi tarvittaessa ohjata muiden elementtien toimintaa liikenneprofiilin mukaisen pakettivirran tuottamiseksi. Liikenteen mittauksen jälkeen paketteihin merkitään DS-koodi, joka normaalissa tapauksessa määräytyy liikenneluokan perusteella. Liikennemittari saattaa kuitenkin määrätä annettavaksi muitakin DS-koodeja. Muokkauselementin tehtävänä on tarpeen mukaan viivästyttää pakettien lähetystä. Lopulta jos liikennettä ei muilla keinoin saada profiilin mukaiseksi, joudutaan osa paketeista poistamaan kokonaan. Kuva 14: Liikenteen luokittelijan ja muokkaajan lohkokaavio 30

38 3.3 SIMA-malli Simple Integrated Media Access (SIMA) on yksi Differentiated Services (DS) -mallin mukainen ratkaisu palvelulaadun toteuttamiseksi IP-pohjaisissa verkoissa. SIMA-malli sisältää erilliset palveluluokat reaaliaikaista ja ei-reaaliaikaista liikennettä varten. Lisäksi molemmat palveluluokat sisältävät kahdeksan prioriteettitasoa. SIMA:n tarjoama palvelunlaatu on luonteeltaan sellaista, että se ei anna mitään ehdottomia takuita liikenneparametrien kuten viipeen tai kaistanleveyden suhteen. Sen sijaan palvelunlaadulla on merkitystä sen suhteen, kuinka pakettivuota kohdellaan ylikuormitustilanteessa. Mitä paremmat palvelunlaatuparametrien arvot vuolla on sitä vähäisempi on sen kokema pakettihukka. Taulukossa 2 on esitetty, millaista palvelun tasoa prioriteettitasot suunnilleen vastaavat. [13] Taulukko 2: Prioriteettitasojen kuvaukset Prioriteettitaso Palvelun taso 7 Varattu SIMA:n ulkopuolisille resurssien varausta tarjoaville palveluille 6 Erinomainen laatu; pakettihukka merkityksettömän vähäistä 5 Korkea laatu; pakettihukkaa ainoastaan poikkeuksellisen suurten liikennehuippujen aikana 4 Hyvä laatu; pakettihukka vähäistä myös kiiretuntien aikana 3 Keskinkertainen laatu; pakettihukka vähäistä muulloin paitsi kiiretuntien aikana 2 Tyydyttävä laatu; satunnaisesti runsasta pakettihukkaa 1 Riittävä best effort -liikenteelle kiiretuntien aikana 0 Käyttökelvoton kiiretuntien aikana, mutta riittävä best effort -liikenteelle kiiretuntien ulkopuolella 31

39 3.3.1 SIMA:n toiminta SIMA-mallissa käyttäjän tulee määritellä kaksi parametria ennen SIMA-verkkoon liittymistä: nimellinen bittinopeus (NBR) ja valinta reaaliaikaisen ja ei-reaaliaikaisen palveluluokan välillä. NBR määrää, kuinka verkon kapasiteetti jaetaan voiden kesken ylikuormitustilanteissa. Näin ollen NBR toimii myös luonnollisesti mahdollisen laskutuksen perustana. NBR ei kuitenkaan varsinaisesti rajoita bittinopeutta, jolla käyttäjä lähettää tai vastaanottaa liikennettä. Sen sijaan NBR:n arvoa käytetään apuna, kun jokaiselle IP-paketille määritellään dynaamisesti prioriteettiarvo ennen kuin se lähetetään SIMA-verkkoon. Kun hetkellinen bittinopeus (MBR) on pienempi kuin NBR, IP-paketin saaman prioriteetin arvo vaihtelee neljän ja kuuden välillä. Jos sen sijaan MBR on suurempi kuin NBR, paketeille jaettavat prioriteettiarvot vaihtelevat nollasta kolmeen. Kuva 15: SIMA-verkon rakenne 32

40 SIMA-verkko koostuu kahden tyyppisistä elementeistä: reunasolmuista ja runkosolmuista. SIMA-verkon rakenne on esitetty kuvassa 15. SIMA-verkon tavoitteena on tarjota pieni viive sekä viipeen vaihtelu reaaliaikaiseksi merkityille pakettivoille. Tämän mahdollistamiseksi jokaisessa runkosolmussa on erillinen ainoastaan reaaliaikaliikenteelle varattu jono Reunasolmu Reunasolmun tärkeimpänä tehtävänä on merkitä SIMA-verkkoon saapuviin paketteihin prioriteettiarvo sekä tieto reaaliaikaisuudesta. Prioriteettiarvojen dynaaminen laskeminen on yksi SIMA-mallin monimutkaisimmista toimenpiteistä. Kuten aiemmin jo mainittiin, paketin prioriteettiarvo riippuu MBR:n ja NBR:n välisestä suhteesta. Tarkka prioriteetti (DP) määräytyy kaavojen (1) ja (2) perusteella. X = 4.5 ln MBR NBR (1) DP = 6 int( X ) 0 jos X 6 jos 0 < X < 6 jos X 0 (2) Lopulta kun saatu prioriteetti on saatu laskettua, se sijoitetaan yhdessä reaaliaikaisuustiedon kanssa IP-paketin otsikkokenttään ja paketti lähetetään SIMA-verkkoon. Kuvassa 16 on esitetty kaavat (1) ja (2) graafisessa muodossa. Kuvasta voidaan havaita, että MBR:n täytyy olla yli 20 kertaa NBR:n suuruinen ennen kuin paketti saa alimman mahdollisen prioriteetin. [14] 33