IP-Telefonie
Die IP-Telefonie, auch als Internet-Telefonie oder Voice over IP (kurz VoIP) bekannt, ist das Telefonieren über ein Computernetzwerk auf der Grundlage des Internetprotokolls.
Der wesentliche Unterschied zur herkömmlichen Telefonie besteht darin, dass die Sprachinformationen nicht über eine geschaltete Verbindung in einem Telefonnetz übertragen werden, sondern durch das Internet Protocol in Datenpakete aufgeteilt, die auf nicht festgelegten Wegen in einem Netzwerk zum Ziel gelangen. Diese noch junge Technologie macht sich so die Infrastruktur eines bestehenden Netzwerks für die Sprachübertragung zu nutze und teilt sich dieses mit anderen Kommunikationsdiensten.
Das Ziel der Hardware- und Softwareentwickler ist es, eine Qualität und Zuverlässigkeit zu erreichen, die der klassischen Telefonie entspricht. Eine entscheidende Rolle dafür spielt das Netzwerk, über das die Daten übertragen werden. Der Vergleich zwischen IP-Telefonie und klassischer Telefonie bietet reichlich Stoff für Diskussionen.
Funktionsprinzip
Das Telefonieren kann sich für den Teilnehmer genauso dar wie in der klassischen Telefonie darstellen, je nachdem welche Technik zum Einsatz kommt.
Wie bei herkömmlicher Telefonie wird die Sprache zunächst analog mit einem Mikrofon (z.B. über den Telefonhörer) erfasst.
Der Transport der umgewandelten Daten erfolgt dann über ein öffentliches oder privates Computernetzwerk. Die Daten werden dazu in viele kleine Pakete aufgeteilt, weshalb auch ein Gespräch nun nicht mehr eine ganze Leitung benötigt.
Digitale Verarbeitung der Töne - Codecs
Diese analogen Informationen werden dann durch einen Wandler in ein digitales Format überführt und über Codecs in entsprechende Audio-Binärformate gewandelt. Je nach verwendetem Codec können die Daten dabei unterschiedlich stark komprimiert werden. Die meisten Codecs benutzen dabei ein Verfahren bei dem, ähnlich wie bei MP3-Dateien, für das menschliche Gehör unwichtige Informationen weggelassen werden. Das verkleinert die Datenmenge und verringert so die zur Übertragung benötigte Bandbreite. Werden allerdings zu viele Informationen weggelassen, leidet auch die Sprachqualität. Die verschiedenen Codec-Verfahren beherrschen die Audiokompression unterschiedlich gut. Manche sind auch speziell dafür ausgelegt, eine niedrige Bandbreite um jeden Preis zu erreichen, andere dagegen verbessern die seit Jahrzehnten gewohnte - relativ schlechte - Telefonqualität auf Radio- oder sogar CD-Niveau. Je nach Codec variiert also die erforderliche Bandbreite sowie die Sprachqualität. Damit die Daten nach dem Transport auch wieder korrekt in Sprache umgewandelt werden können, muss der Empfänger denselben Codec wie der Sender benutzen.
Dieses Verfahren der Audiokompression wird übrigens heute schon beim Mobilfunk erfolgreich eingesetzt.
Probleme
Allerdings müssen diese Pakete mit einer gewissen Mindestgeschwindigkeit beim Gegenüber ankommen, damit eine Kommunikation möglich ist. Eine Laufzeit (engl. Delay) von 150 Millisekunden stellt dabei die obere Grenze dar, bis zu der noch ein normales Gespräch möglich ist – bei größeren Werten wird die Verzögerung als störend wahrgenommen. Werden gleichzeitig noch andere Pakete über das Computernetzwerk übertragen, zum Beispiel die Pakete einer Webseite, dann ist dies eventuell nicht mehr gewährleistet (siehe Absatz "Übertragungsqualität"). So genannte Pufferalgorithmen versuchen hierbei entgegenwirkend Datenpakete zwischen zu speichern, um die Lücken möglichst klein zu halten.
Gateways
Damit Verbindungen zu herkömmlichen Telefonnetzen hergestellt werden können, werden Vermittlungsrechner, die so genannten Gateways, benutzt. Diese sind sowohl mit dem Kommunikationsnetzwerk des IP-Telefons als auch mit dem Telefonnetz verbunden. Empfangen diese eine Anfrage von einem IP-Telefon, leiten sie diese ins Telefonnetz um, indem sie die gewünschte Nummer anrufen. Erhalten sie einen Anruf aus dem Telefonnetz, leiten sie eine Anfrage an das entsprechende IP-Telefon weiter.
Die Integration unterschiedlicher Netze durch Gateways wird auch als Konvergenz der Netze bezeichnet. Beschränkt man die Integration nicht alleine auf VoIP und herkömmliches Telefonnetz, sondern bezieht alle Netztypen mit ein, ergeben sich völlig neue Netzstrukturen auf der Basis von IP-Protokollen. Diese neuen Strukturen werden als Next Generation Networks (NGNs) bezeichnet. Im Kern würden dann sogenannte Softswitches statt herkömmlicher Vermittlungssysteme sitzen, welche die Gateways steuern. Sollte sich dieser Trend durchsetzen, dann wäre dies eine Revolution in der Telekommunikation, vergleichbar mit dem Umstieg von analogen auf digitale Netze in den 80ern. Ein Vorteil, den man sich von einem NGN erhofft ist, dass man alle Dienste und alle Dienstleistungen in jedem Netz anbieten kann, ohne sie für die jeweilige Netztechnologie neu entwickeln zu müssen. VoIP spielt hier eine Vorreiterrolle.
Anwendungen
Internet-Telefonie
Die IP-Telefonie kann im Prinzip auch genutzt werden, um weltweit Gespräche über das Internet zu führen, die so genannte Internet-Telefonie. Wenn beide Teilnehmer einen Internetzugang nutzen, werden die Gespräche sehr preiswert bis kostenlos, unabhängig von den Orten, an denen sie sich gerade befinden. Über das Internet kann aber auch Verbindung zu einem Gateway aufgenommen werden, das eine Verbindung in die klassischen Telefonnetze herstellt. Während sich die Übertragungsbandbreiten in begrenzten Netzwerken wie einem Heimnetz, Firmennetz oder ähnlichen noch vorhersagen und beeinflussen lassen, hilft bei der Internet-Telefonie nur die Wahl eines günstigen Codecs.
Verbindungsaufbau
Damit eine Verbindung zu einem bestimmten Benutzer aufgebaut werden kann, muss dessen Adresse eindeutig bekannt sein. In einem Netzwerk ist jeder Benutzer über eine IP-Adresse in Kombination mit einem Port identifiziert. Allerdings verwenden die meisten Benutzer heutzutage keine festen IP-Adressen. Durch einen DHCP-Server wird ihnen bei jedem Verbindungsaufbau mit dem Netzwerk eine neue dynamische IP-Adresse zugewiesen. Außerdem verwenden viele Internet-Nutzer Router mit Port Address Translation (PAT), so dass mehrere Geräte sich eine IP-Adresse im Internet teilen können. Es ist also nicht ohne weiteres möglich zu wissen, unter welcher IP-Adresse und Portnummer der gewünschte Gesprächspartner zu erreichen ist.
Um dieses Problem zu lösen wurde von der Internet Engineering Task Force (IETF) das Session Initiation Protocol (SIP) entwickelt. Es erlaubt SIP-Endpunkten, wie zum Beispiel einem SIP-Telefon, sich an einem SIP-Server zeitlich befristet anzumelden. Hier durch können andere SIP-Endpunkte die momentane IP-Adresse vom SIP-Server erfragen. Die Adressierung findet hierbei über das von E-Mail bekannte Uniform Resource Identifier (URI)-Format statt. Die Schreibweise der Teilnehmeradressen lautet dann zum Beispiel: "sip:user@domain". Dies bietet die Möglichkeit, dass man in Zukunft über eine Adresse erreichbar sein wird, die dann sowohl für E-Mail als auch Telefonie verwendet werden kann. Des weiteren sind mit SIP auch Videotelefonate möglich als auch Instant Messaging über den SIMPLE-Standard, der ebenfalls von der IETF entwickelt wurde.
Um eine eigene SIP-Adresse (URI) zu bekommen kann man sich bei vielen freien und kostenpflichtigen Anbietern anmelden. Die meisten ermöglichen das Telefonieren mit Teilnehmern des herkömmlichen Telefonnetzes, da es sich hierbei um ihr Geschäftsmodell handelt. Allerdings vergeben nur einige wenige Anbieter klar ersichtliche SIP-Adressen, sondern hauptsächlich herkömmliche Rufnummern, da die wenigsten SIP-Telefone eine URI wählen können.
Rufnummern
Das unter Verbindungsaufbau beschriebene Problem ließe sich mit einem Rufnummernplan ähnlich wie bei der herkömmlichen Telefonie lösen. Es gibt derzeit eine Reihe von Ansätzen, die von einer Integrierung der Internet-Telefonie in den bestehenden Rufnummernplan bis hin zu einem ganz neuen System gehen. Wesentliche Gesichtspunkte der Europäischen Union und der deutschen Regulierungsbehörde sind vor allem die Einhaltung aller Vorschriften und mittelfristig die Integrierung von Notrufsystemen in die Internet-Telefonie.
ENUM
Ein aktuell brauchbares Verfahren scheint ENUM zu sein. Es wird von einigen Netzbetreibern und sowohl von der deutschen (.de) als auch der österreichischen (.at) Domain-Vergabestelle vorangetrieben.
Bei ENUM wird die Rufnummer umgedreht und mit Punkten versehen als Subdomain an die Top Level Domain ARPA. mit der Second Level Domain "e164" zusammengesetzt (normalerweise e164.arpa) angehängt. Aus +49 12345 6789 wird also zum Beispiel 9.8.7.6.5.4.3.2.1.9.4.e164.arpa. Diese Lösung setzt allerdings voraus, dass der Telefonkunde schon über eine Rufnummer verfügt, für die in der Regel mindestens eine Grundgebühr zu zahlen ist.
Aufgrund der EU-Richtlinien zur Rufnummern-Mitnahme bei Wechsel des Telefonproviders erlebt ENUM derzeit (zumindest in Österreich) den erhofften Aufschwung. Bevor Telefonprovider aufgrund eigener Datenbanken ein Telefongespräch vermitteln, wird überprüft, ob es zu der gerufenen Nummer und dem verwendeten Dienst bei ENUM einen DNS-Eintrag gibt. Wenn ja, wird der Ruf zu der im DNS angebenen Adresse vermittelt (PSTN- oder auch SIP-Teilnehmer).
Kritisch zu beurteilen ist allerdings der öffentliche Ansatz von ENUM. Dadurch ist es Angreifern möglich, z.B. automatisierte, kostenlose Werbeanrufe anzusetzen (sog. SPIT).
Erreichbarkeit I - Über herkömmliche Ortsrufnummern
Der kurzfristige Ansatz, der von einigen Unternehmen gewählt wurde, einfach Nummern mit Vorwahlen von einigen deutschen Großstädten zu verwenden und diese bundesweit an Kunden zu vergeben, wurde in Deutschland von der Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post (RegTP) auf die Teilnehmer begrenzt die in diesen Ortsnetzen ihren Wohnort haben. Die Begründung ist, dass ansonsten der Bezug, den die Vorwahl zum Wohnort hat, aufgelöst würde. Durch eine Ausweitung der angebotenen Vorwahlgebiete haben die Anbieter dieser Auflage Rechnung getragen. Deutschland hat 5.200 Ortsnetze, so dass diese Anzahl von Vorwahlnummern für ein bundesweites Angebot erforderlich sind. Mittlerweile wohnen 80% der deutschen Breitbandkunden in einem Ort, an dem VoIP-Rufnummern mit der richtigen Telefonvorwahl verfügbar sind. Die Nummern sind weltweit von jedem Telefon und Handy aus erreichbar.
Erreichbarkeit II - Über spezielle Internet-Rufnummern
In Österreich wurde speziell für konvergente Dienste – unter die auch die Internet-Telefonie fällt – die Vorwahl +43 780 (personal number) geschaffen. Eine ähnliche Lösung wurde auch von der deutschen Regulierungsbehörde empfohlen: nach einer Vorwahl 032 soll ähnlich wie heute beim Mobilfunk mit einer "Blockkennung" ein VoIP-Betreiber ausgewählt werden, danach wäre dann die Endnummer des Teilnehmers zu wählen. Die 032er Rufnummern sind bereits zugeteilt, eine Verwendbarkeit scheitert aber bis jetzt an der fehlenden Erreichbarkeit aus dem Fest- und Mobilfunknetz. Die Erreichbarkeit soll bis Mitte 2005 gewährleistet sein. Die 032-Teilnehmernummer ist nicht mehr an einen DSL- oder Telefonanschluss gekoppelt, sondern kann anschlussunabhängig vergeben werden. Nach diesem Schema können auch mobile VoIP-Geräte eine Rufnummer für die nomadische Nutzung erhalten.
Verbindungspreise
Die Verbindungspreise sind hauptsächlich davon abhängig, ob beide Teilnehmer mit dem Internet verbunden sind oder nicht. Sind sie es, fallen bei jedem je nach Vertrag (zum Beispiel Flatrate, Volumentarif oder Zeittarif) sehr unterschiedliche, meist aber sehr günstige, Gesprächspreise an.
Möchte man über das Internet einen Teilnehmer im Telefonnetz anrufen, so wird ein Gateway benötigt, das die Verbindung ins klassische Telefonnetz bewerkstelligt. Die Kosten für die Benutzung des Telefonnetzes zahlt man dabei an den Betreiber des Gateways. Dessen Preise sind meist vergleichbar mit denen von Call-by-Call-Anbietern. Dem Nutzer dieser Angebote bleibt nur der genaue Blick in die Tariftabellen des jeweiligen Anbieters, um zu entscheiden, ob ihm die Internet-Telefonie Kostenvorteile bringt.
Bei Auslandsgesprächen ist der Standort des Gateways entscheidend: bis zum Gateway wird der günstige Internetzugang benutzt, danach gelten die Telefonpreise des Gatewayanbieters. Über ein deutsches Gateway können Gespräche ins Ausland teurer werden als durch die Wahl eines günstigen Call-by-Call-Anbieters im Festnetz.
Übertragungsqualität
Da das Internet in seiner heutigen Form (Stand 2005) keine gesicherte Übertragungsqualität zwischen Teilnehmern garantiert, kann es durchaus zu Übertragungsverlusten und Aussetzern kommen, so dass die Sprachqualität nicht der von herkömmlichen Telefonnetzen entspricht. Allerdings ist die Qualität im Vergleich zu Mobilfunk-Netzen in der Regel wesentlich besser. Die zunehmende Akzeptanz der Mobilfunkkunden deutet auf eine relativ unkritische Einstellung zu leichten Qualitätsmängeln hin. Einen qualitativ hochwertigen DSL-Anschluss vorausgesetzt, kann durchaus von der vollwertigen Alternative zum klassischen Telefonnetz gesprochen werden.
Eine Priorisierung der "Sprachpakete" ist sinnvoll. Das heute im Internet verwendete Protokoll IPv4 bietet die Priorisierung zwar, jedoch wird sie von den Routern im Internet in der Regel nicht beachtet. Die Substitution des Milliarden Euro schweren Telefoniemarktes durch VoIP, ist für die meist monopolähnlichen Netzanbieter eine unangenehme Vorstellung. Dieser Zusammenhang könnte der wesentliche Grund für das in der Fläche seltene Angebot an VoIP-optimierten Internetzugängen sein. International ist dennoch die klare Tendenz eines aufkommenden Wettbewerbs zu beobachten.
Sorgfältig geplante und konfigurierte IP-Netze können heute (2005) eine gewisse "Quality of Service" gewährleisten (auch mit Ethernet als Weit-Transportschicht). Status quo im Internet ist jedoch der Best-Effort-Transport, das heißt die Gleichbehandlung aller Pakete. Damit ist VoiceOverIP eine mögliche Standard-Lösung innerhalb von Firmen. Im öffentlichen gibt es noch keine Ansätze für eine zuverlässige Servicequalität.
Mancher verspricht sich vom Nachfolgeprotokoll IPv6 die flächendeckende Bereitstellung von Quality of Service, doch verfügt schon IPv4 über Prioritätsmarkierungen im Paket. IPv6 bringt Effizienzsteigerungen, das Grundproblem Quality of Service ist auch damit nicht schlüssig gelöst. Ob die Infrastruktur diese Markierungen (Priorität, DSCP Code) berücksichtigt oder nicht ist letztendlich eine finanzielle Frage. Die Zukunft wird zeigen ob die Internet-Provider für mehr Geld auch qualitativ höherwertige IP-Ströme bereitstellen werden.
Ausfallsicherheit
Die Ausfallsicherheit ist im Internet derzeit so hoch wie bei herkömmlichen Telefonnetzen. Allerdings ist die subjektive Wahrnehmung von Problemen durch die Vielzahl von beteiligten Systemen und Organisationen eher negativ. Große IP-Backbone-Netze haben aber mindestens die gleiche Ausfallsicherheit. Zu Bedenken ist aber, dass auch eine externe Spannungsversorgung für den Endkunden notwendig ist und bei Ausfall dieser auch kein Telefonieren möglich ist, was bei Kunden speziell im ländlichen Raum die Ausfallsicherheit stark reduziert.
Rückgrat der herkömmlichen Telefonie
Bereits heute wird die IP-Telefonie in großem Stil von Netzbetreibern (in Deutschland also hauptsächlich von der Telekom) benutzt, um Telefongespräche im Hintergrund abzuwickeln. Dadurch, dass mehr Gespräche über ein Kabel geführt werden können, wird der Preis für ein einzelnes Gespräch günstiger. Die Netzbetreiber benutzen dabei jeweils zwei Gateways, die das Gespräch einmal in das IP-Netz und einmal wieder zurück in das herkömmliche Netz umleiten. Die Probleme wie sie bei der Internet-Telefonie auftreten, müssen dabei nicht auf die Netzbetreiber zutreffen. Wenn ausreichende Sicherungen und Übertragungsressourcen vorhanden sind, ist es durchaus möglich Gespräche in gleicher oder besserer Qualität als über die herkömmliche Telefonie zu führen.
Einfachere Infrastruktur in Firmen und Institutionen
Innerhalb von Firmen und Institutionen kann Voice over IP dazu genutzt werden, die Telefonanlage mit dem Computernetzwerk zusammenzulegen. Die Telefongespräche werden über das Netzwerk übertragen: Gespräche im Haus laufen über VoIP, Gespräche nach außerhalb werden über ein Gateway ins normale Telefonnetz geleitet. Die Migration genannte Umstellung von klassischer Telefonie auf VoIP erfolgt oft schrittweise. Teile einer Firma, bevorzugt neue Abteilungen, erhalten die neue Technik. Die Struktur der Anlage wird in so genannten Szenarien beschrieben, die mehrere Übergänge zwischen konventioneller Telefonie und VoIP enthalten können. Durch VoIP werden sowohl die Telefonverkabelung als auch Teile der Telefonanlage eingespart. Die Sprachqualität und Zuverlässigkeit der Telefontechnik hängt jetzt aber komplett von der Netzwerktechnik ab.
Entwicklung
1995 wurden von der israelischen Firma Vocaltec erste Schritte unternommen, mit Hilfe eines Windows-Programmes Internettelefonie zu realisieren. Die Qualität der Sprachübertragung war sehr schlecht und erfolgte zudem im sogenannten Halbduplexbetrieb, was bedeutet, dass die Gesprächsteilnehmer nur abwechselnd sprechen konnten. Außerdem war nur eine Verbindung zwischen zwei Computern möglich, welche die gleiche Software verwendeten.
Erst durch die ersten Gateway-Produkte, die eine Verbindung in das normale Telefonnetz(PSTN) ermöglichten, erkannten die großen Anbieter von Telekomunikationssystemen das Potenzial der IP-Telefonie. Die Geschäftspläne namhafter Herstellerfirmen von VoIP-Equipment zeigen, dass in den nächsten Jahren als Anwendungsgebiet für Voice over IP hauptsächlich der Bereich der Firmennetze als relevanter Umsatzträger eingeschätzt wird, vor allem mit dem Verkauf von neuen VoIP tauglicher Netzwerktechnik.
Seit Anfang 2004 versuchen mehrere Firmen, die Internet-Telefonie auch an Privatkunden in Deutschland zu verkaufen. Die hohe Anzahl von DSL-Neuanschlüssen in Privathaushalten soll so für Kunden sorgen. Ein kompletter Umstieg auf IP-Telefonie ist aber nur in wenigen Städten über spezielle Provider möglich, da ein DSL-Anschluss in der Regel nur gebündelt in Verbindung mit einem Telefonanschluss möglich ist. Zudem sind bisher alle Versuche Voice over IP über DSL zu standardisieren, bei allen internationalen Standardisierungsorganisationen wie der International Telecommunication Union (ITU), dem European Telecommunications Standards Institute (ETSI) oder dem American National Standards Institute (ANSI) mangels Interesse wieder eingestellt worden.
Aktuelle Lösungen
Codecs
Bei der Wahl eines Codecs für die IP-Telefonie muss man einen guten Kompromiss zwischen der zu übertragenden Datenmenge und der Sprachqualität anstreben. Neben der Datenkompression entscheidet auch der verwendete Algorithmus über die Sprachqualität. Folgende Codecs werden zur Zeit für VoIP verwendet (benötigte Netto/Brutto-Bandbreiten in Klammern):
Anmerkung: Die Brutto-Brandbreite ist abhängig von der Samplezeit. Als extremes Beispiel sei hier der Codec G.723.1 genannt, der je nach Samplezeit (20/30 ms) eine Bruttobandbreite von 10.66 bis 16.27 kbit/s abdeckt; allerdings ist die Samplezeit im ITU Standard festgeschrieben, und daher nicht beliebig wählbar. Die unten genannten Codecs unterstützen in vielen Fällen mehr als nur eine Datenrate.
- ITU-T-Standards (mit netto-/brutto-Datenrate):
- G.711a bzw. G.711u – (64 kbit/s / 87,2 kbit/s)
- G.722 – (48, 56 oder 64 kbit/s / ? )
- G.723.1 ACELP – ( 5,6 kbit/s / 16,27 kbit/s)
- G.726 – (16 kbit/s / 39,2 kbit/s)
- G.726 – (24 kbit/s / 47,2 kbit/s)
- G.726 – (32 kbit/s / 55,2 kbit/s)
- G.726 – (40 kbit/s / 63,2 kbit/s)
- G.728 – (16 kbit/s / 31,5 kbit/s)
- G.729 – ( 8 kbit/s / 31,2 kbit/s)
- Weitere Standards:
Signalisierungsprotokolle
Der Auf- und Abbau von Rufen erfolgt über ein von der Sprachkommunikation getrenntes Protokoll. Auch die Aushandlung der Parameter für die Sprachübertragung erfolgt über diese Protokolle. Verbreitete Signalisierungsprotokolle sind:
- H.323 – Packet-based multimedia communications systems, ein ITU-T-Standard
- IAX – Inter-Asterisk eXchange protocol
- ISDN over IP ISDN/CAPI basierendes Protokoll
- MGCP und MeGaCo – Media Gateway Control Protocol H.248
- MiNET – von Mitel
- SIP – Session Initiation Protocol, IETF RFC 3261
- Skinny Client Control Protocol – von Cisco (nicht zu verwechseln mit SCCP (Q.71x) der ITU-T)
Siehe auch
Bei der IP-Telefonie unterscheidet man zwischen der Anwendung innnerhalb von Firmen und Institutionen (Enterprise-Telefonie) und der Nutzung im öffentlichen Internet (Internet-Telefonie).
Literatur
- Egmont Foth: IP-Telefonie. Handbuch FOSSIL 2001, ISBN 3-931959-33-3
- Rolf-Dieter Köhler: Voice over IP mitp 2001, ISBN 3-8266-4067-5
- Jochen Nölle: Voice Over IP VDE 2003, ISBN 3-8007-2708-0
- Anatol Badach: Voice over IP - Die Technik Hanser 2004, ISBN 3-446-22697-4