Services multimédia sur réseaux – La voix sur IP

1. Services multimédia sur réseaux – La voix sur IP A. Quidelleur aurelie.quidelleur@univ-mlv.fr SRC2 Meaux 2008-2009 M22.4 - Réseaux et Services sur Réseaux Module complémentaire – Option poursuite d’études courtes Services multimédia

2. 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 Services multimédia

3. Les nouveaux usages multimédia sur les réseaux et leurs contraintes Services multimédia

4. 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 Services multimédia

5. 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 Services multimédia

6. La nouvelle donne du multimédia sur Internet Mesures et prévisions de trafic sur Internet L’utilisation de la TV sur IP dans le monde Services multimédia

7. Les « nouvelles » applications sur Internet Services multimédia

8. 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…) Services multimédia

9. 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 Services multimédia Schéma : www.ant.developpement-durable.gouv.fr

10. Différentes contraintes pour différents trafics Services multimédia

11. Utilisation de la voix sur IP Services multimédia

12. 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. Services multimédia

13. 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 ! Services multimédia

14. 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. Services multimédia

15. Comment transporter la voix sur IP ? • Diverses manières de transporter la voix sur IP • Le téléphone par ADSLTéléphonie 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. Services multimédia

16. 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) Services multimédia

17. 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. Services multimédia

18. La voix sur IP en 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) Services multimédia

19. La voix sur IP en entreprise • 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 Services multimédia

20. La voix sur IP en entreprise • 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 Services multimédia

21. 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). Services multimédia

22. La voix sur IP chez le particulier • 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). Services multimédia

23. La voix sur IP chez le particulier • 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 Services multimédia

24. Les difficultés liées au protocole IP Services multimédia

25. Traitement de la voix sur le RTC CAN t t Signal codé PCM au débit de 64 kbit/s Voix analogique • 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 Services multimédia

26. Traitement de la voix sur un réseau IP Services multimédia

27. Comparaison réseau IP / réseau commuté Services multimédia

28. Les difficultés liées au routage IP Inversion Réseau IP BON COM MENT VAS VAS TU COM JOUR TU MENT T BON Perte Variation de délais : gigue • 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 minimisées Services multimédia

29. 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 : Services multimédia

30. La QoS exigée par la voix sur IP • 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 Services multimédia

31. La QoS exigée par la voix sur IP • 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 ») Services multimédia

32. 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 participer à une conférence multipoint Les terminaux PC, IP phone, … Services multimédia

33. Les protocoles de la voix sur IP Services multimédia

34. Les protocoles de la voix sur IP • 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. Services multimédia

35. 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 16 octets En-tête UDP En-tête RTP données Services multimédia

36. 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 Services multimédia

37. 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) Services multimédia

38. Fonctionnement conjoint de RTP/RTCP RTP Entête Contenu : vidéo, audio, etc.. RTCP Entête Rapports de réception, description Récepteur Récepteur Services multimédia

39. 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) Services multimédia

40. 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) Services multimédia

41. 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 Services multimédia

42. 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 Services multimédia

43. Les protocoles de la norme H.323 Initialisation, contrôle d’appel, raccrochage Utilisation des canaux et leur capacité, choix des codecs Contrôle de qualité (ex. : renégociation de codec) Transport des données audio et vidéo Enregistrement et authentification Transport des data codecs Q931 Services multimédia

44. Les ports utilisés dans la norme H323 Services multimédia

45. 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.      Services multimédia

46. 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 Services multimédia

47. 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 Services multimédia

48. 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 Services multimédia

49. 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,… Services multimédia

50. 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 Services multimédia