VoIP - Voice over IP

Voice over IP, kurz VoIP, ist die Übertragung und Vermittlung von Sprach-Kommunikation in einem IP-Netzwerk. Dieses Netzwerk kann sowohl lokal (LAN), ein Weitverkehrsnetzwerk (WAN) oder das ganze Internet sein.
Voice over IP liegt dem paketorientierten Internet-Protokoll (IP) zu Grunde. Wenn Sprache und Daten auf einer einheitlichen Infrastruktur laufen, müssen nicht zwei getrennte Kabelnetze (Daten- und Telefonnetz) vorhanden sein.

Der Einsatz von Voice over IP ist darin begründet, dass es wesentlich Ressourcen-schonender mit dem zur Verfügung stehenden Übertragungsmedium umgeht. Insbesondere dann, wenn es sich um eine Breitbandverbindung handelt. So lassen sich über eine IP-gesteuerte Breitband-Verbindung mehr Sprachverbindungen realisieren als bei der klassischen Nutzung einer Telefonleitung.

Bestandteile von Voice over IP

Weltweit sind die Telefonnetze auf Zuverlässigkeit und höchste Verfügbarkeit optimiert. Die Technik ist ausgereift und stabil. Während die Festnetz-Telefonie aus möglichst wenigen Komponenten besteht, sind bei VoIP über das Internet sehr viele Komponenten im Spiel. Viele Faktoren spielen beim Verbindungsaufbau und auch danach eine große Rolle.

VoIP-Anwendungen Call-Manager, Softphone, ...
VoIP-Protokolle SIP, H.323, RTP, UDP, ...
VoIP unterstützende Dienste DNS, NAT, QoS, AAA, ...
Betriebssysteme Linux, Unix, Windows, ...
Hardware Breitbandmodem, Router, Server, IP-Telefon, Smartphone, ...
Netze LAN, WAN, DSL, TV-Kabel, ...

Protokolle und Standards

Call Control Audio Video
SIP
H.323
G.711
G.723
G.729
H.261
H.263
RTP
RTCP
TCP UDP
IP
LAN

Bei Voice over IP muss man zwischen den Datenpaketen zum Verbindungsauf- und -abbau (Signalisierung, Call Control) und den eigentlichen Sprachpaketen (Datenstrom) unterscheiden. Die Signalisierungsdaten müssen dabei möglichst sicher übertragen werden. Sie steuern die Verbindung. Sie dürfen länger unterwegs sein und einen größeren Protokoll-Overhead haben. Hauptsache die Verbindung kommt zu Stande. Dagegen müssen die Sprachpakete schneller und verzögerungsfrei unterwegs sein. Dabei kann man sich eine unsichere Übertragung leisten. Wenn mal ein Datenpaket verloren geht, dann ist das nicht so schlimm.

Basisdienste und -protokolle:

VoIP-spezifische Protokolle:

Bei einer VoIP-Verbindung sind immer mehrere Protokolle beteiligt:

  • SIP und H.323 sind für die Signalisierung zuständig.
  • SDP, H.225 und H.245 (H.323) sind für die Aushandlung der Fähigkeiten der Endsysteme zuständig.
  • Sprachcodecs wandeln die analogen Sprachsignale in digitale Datenpakete um und auch wieder zurück.
  • Spezielle Quality-of-Service-Erweiterungen (QoS) verbessern die Verbindungsqualität.

Voice over IP im OSI-Schichtenmodell

Schicht Protokoll
7. Anwendung VoIP-Anwendung
Softphone / Call-Manager
6. Präsentation Sprachcodecs
G.729 / G.723 / G.711
5. Session Signalisierung
H.323 / SIP
4. Transport Transport-Protokolle
RTP / UDP / RSVP
3. Netzwerk Netzwerk-Protokoll
IP
2. Verbindung Übertragung
ATM / Ethernet
1. Bitübertragung Übertragung
DSL / Ethernet

Sprachqualität bei Voice over IP

Bei der Festnetz-Telefonie wird vom Vermittlungssystem eine leitungsvermittelte Verbindungsqualität garantiert. Im Internet werden die Sprachdaten als Datenpakete über unterschiedliche Netze übertragen. Die Sprachqualität ist dabei von der Stabilität der Verbindung ohne Laufzeitschwankungen (Jitter) und Paketverluste und vom Codec abhängig.

Voice over IP ist nur dann in einem Netzwerk nutzbar, wenn die wichtigen Kennwerte, wie Bandbreite, Laufzeit und Jitter bei einem voll ausgelasteten Netzwerk einschließlich der Netzübergänge ausreichend sind. Dadurch wird im wesentlichen die Sprachqualität beeinflusst.
Die Hauptprobleme entstehen durch eine zu geringe Bandbreite und zu lange Distanzen. Paketverluste, hoher Jitter und große Verzögerungen reduzieren die Sprachqualität.

Wie schnell die Datenpakete übertragen werden liegt in der Hand der Netzbetreiber. In der Regel profitiert man im deutschen Internet von der großzügig vorhandenen Übertragungskapazität der Provider. Die Sprachqualität ist mit dem alten Telefonnetz vergleichbar.

Schwerer wiegt das Echo, das beide Teilnehmer zu hören bekommen können. Es entsteht meist auf der Gegenseite.
Bei herkömmlichen Telefonverbindungen konnte das Echo auch auftreten. Nur bei VoIP wird es mit erheblicher Verzögerung als störend empfunden. Schuld ist die unzureichende Echounterdrückung. In der Regel haben das die VoIP-Anbieter im Griff.

Sprach-Codec / Audio-Codec

Bevor die Sprache übertragen werden kann, muss sie zuerst digitalisiert werden. In der Regel werden die Sprachdaten auch gleich komprimiert. Bei zunehmender Komprimierung steigt die erforderliche Rechenleistung und es kann zu zusätzlichen Verzögerungen kommen.

Quality of Service (QoS)

Für ein Telefongespräch mit Voice over IP in guter Qualität muss eine bestimmte Bandbreite für die Dauer des Gesprächs gewährleistet sein. Man spricht vom sogenannten Fernsprechkanal. In diesem Fernsprechkanal wird die Sprache isochron (gleich lang andauernd) übertragen. Die engen Grenzen bei der Verzögerung und den Laufzeitschwankungen lassen sich mit dem reinen Internet-Protokoll (IP) nicht realisieren.
Da Sprachübertragung von der Übertragungstechnik, in diesem Fall die paketorientierten Protokolle, besondere Eigenschaften fordern, lassen sich Übertragungsfehler, Verzögerungen und Laufzeitunterschiede nur durch eine ausreichende Bandbreite oder Protokollzusätze vermeiden. Man fasst diese Maßnahmen unter Quality-of-Service (QoS) zusammen.

Bandbreitenbedarf

Die Frage ist, welche Bandbreite hat ein VoIP-Kanal im Vergleich zu einem ISDN-B-Kanal mit 64 kByte/s?

In der Praxis sieht das so aus, dass die Sprache zuerst mit einem Codec in Datenpakete umgewandelt wird, und anschließend in RTP-Pakete und dann in UDP-Pakete verpackt und zur Adressierung mit einem IP-Header versehen werden.
Die Übertragungstechnik auf dem physikalischen Medium fügt dann noch einen Paketrahmen hinzu, der vom jeweiligen Medium und Übertragungssystem abhängig ist.

Bandbreitenberechnung für VoIP-Verbindungen:

  • 64 kBit/s pro Kanal bei G.711
  • G.711 (20 ms): 160 Byte
  • RTP-Header: 12 Byte
  • UDP-Header: 8 Byte
  • IP-Header: 20 Byte
  • Ethernet-VLAN: 30 Byte
  • Summe: 230 Byte pro 20 ms

Umrechnung in Sekunden:

230 Byte x 8 Bit / 0,02 s = 92 kBit/s

Hinweise:

  • Multiplikation mit 8 Bit, weil das Ergebnis in Bit bzw. kBit angegeben werden muss, um es mit den üblichen Bandbreiten-Angaben vergleichen zu können.
  • Division durch 0,02 s bzw. 20 ms, weil wir das Ergebnis pro Sekunde brauchen, um es mit den üblichen Bandbreiten-Angaben vergleichen zu können.

Das Ergebnis variiert je nach eingesetzten Codec. Die nötige Bandbreite pro Verbindung kann demnach zwischen 13 kBit/s (GSM) und 100 kBit/s (HD-Qualität) liegen.

Pro VoIP-Telefonverbindung rechnet man mit einer Datenrate bzw. Bandbreite von 100 kBit/s pro Übertragungsrichtung. Die erforderliche Bandbreite ist im Vergleich zur verfügbaren Kapazität von LAN- und WAN-Verbindungen gering, weshalb man VoIP- bzw. IP-Telefonie in der Regel ohne zusätzliche Maßnahmen störungsfrei in der vorhandenen Infrastruktur nutzen kann.

SPIT - Spam-over-Internet-Telephony

SPIT bedeutet Spam-over-Internet-Telephony. Über bestimmte Schwachstellen in SIP-Implementierungen kann VoIP-Spam in laufende Gespräche eingespielt werden. Für SPIT muss noch nicht mal eine Verbindung zum SIP-Server bestehen. Eine durchlässige Firewall und ein installierter SIP-Client können schon anfällig für SPIT sein. SPIT eignet sich also auch für Massenspam.

Sicherheit

Sicherheits-Features für VoIP sind äußerst unpopulär. Als Grund wird der vergleichsweise hohe Aufwand für das Abhören oder Stören, im Vergleich zu ISDN oder analog, angeführt. Einen analogen Anschluss kann man abhören, in dem man ein Telefon oder Kopfhörer parallel zur Leitung schaltet. Bei VoIP ist das wesentlich komplizierter, weil die Daten auf mehreren Protokollschichten verteilt sind. Einen Datenverkehr mitzuschneiden ist sehr aufwendig und nur mit hochwertiger Hardware und Software möglich. Vorausgesetzt natürlich, man hat einen Punkt im Netz, an dem man Abhören kann.
Das Grundproblem bei VoIP ist die bidirektionale Datenverbindung. Die Datenpakete werden in beide Richtungen über die Firewall geschickt. Dafür werden Ports geöffnet, die wiederum als Angriffspunkt für Hacker dienen können. Solange die IP-Telefonie im lokalen Netzwerk und hinter einer Firewall arbeitet, ist das Risiko eines Angriffs von außen gering. Ist der Telefonie-Server über das öffentliche Netz zu erreichen, dann kann dessen Funktion beispielsweise durch Denial-of-Service-Attacken (DoS) gestört werden.

In H.323 ist H.235 definiert. Es umfasst Verfahren zur Authentifizierung und Verschlüsselung der Datenströme. Die Verschlüsselung ist optional. Die Verschlüsselung erfolgt mit SRTP.
Bei SIP könnte die Authentifizierung mit PGP erfolgen. Der Datenstrom könnte auch mit SRTP verschlüsselt werden.
Damit die Sicherheitsmaßnahmen auch greifen, müssen alle an der Übertragung beteiligten Komponenten über genügend Sicherheitsvorkehrungen verfügen. Es bringt nicht sehr viel, wenn die Signalisierung, aber nicht der Datenstrom verschlüsselt ist.

Übersicht: H.323

Übersicht: SIP

Übersicht: VoIP-TK-Systeme

Übersicht: VoIP-Technik und -protokolle

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