Services multimédia sur réseaux – La voix sur IP

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1 Services multimédia sur réseaux – La voix sur IP
A. Quidelleur SRC2 Meaux M 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
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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
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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 :

10 Différentes contraintes pour différents trafics
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11 Utilisation de la voix sur IP
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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 ADSL Téléphonie à partir d’un combiné classique sur une ligne dégroupée. Utilisable même si l’ordinateur est éteint. Les logiciels spécialisés Ex. : 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 audio ICQ, 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
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25 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 CAN t Signal codé PCM au débit de 64 kbit/s Voix analogique Services multimédia

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

28 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 minimisées BON JOUR COM MENT VAS TU T Réseau IP Perte Variation de délais : gigue Inversion 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
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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 de la source, nom de la source) Services multimédia

38 Fonctionnement conjoint de RTP/RTCP
Entête Contenu : vidéo, audio, etc.. RTCP Rapports de réception, description 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
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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 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 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 Ne prend pas en charge Son point fort
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

51 Fonctionnement SIP définit un adressage SIP du type URL :
ou SIP: (Tél: (+33) ) SDP (Session Description Protocol) RFC 2327 est le protocole utilisé pour formater le message Services multimédia

52 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) Services multimédia

53 Le registrar Services multimédia

54 Le proxy SIP Services multimédia

55 Téléphone SIP vers Téléphone SIP
SIP Phone A SIP Phone B INVITE 100 TRYING - (progress report code) 180 RINGING - (progress report code) 200 OK - (success - user accepted the call) ACK Caller confirms receipt of the success code 2 WAY RTP CALL w/ SDP (ESTABLISHED) BYE (terminates the call) 100 TRYING (progress report code) 200 OK (success) Services multimédia

56 Flux d’appel SIP avec un serveur Proxy
USER A PROXY USER B INVITE 100 TRYING INVITE 180 RINGING 200 OK ACK BOTH WAY RTP CALL (ESTABLISHED) BYE 200 OK Services multimédia

57 Conclusion Services multimédia

58 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