ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΥΛΙΚΟΥ ΚΑΙ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Η/Υ & ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗΣ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΥΛΙΚΟΥ ΚΑΙ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΕΝΟΣ SIP USER AGENT ΣΤΟΝ ΔΙΚΤΥΑΚΟ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗ INTEL IXP 425 ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ: ΚΑΡΠΟΔΙΝΗΣ ΠΟΛΥΧΡΟΝΗΣ ΤΡΙΜΕΛΗΣ ΕΠΙΤΡΟΠΗ: ΚΟΥΦΟΠΑΥΛΟΥ ΟΔΗΣΣΕΑΣ ΔΕΝΑΖΗΣ ΣΠΥΡΟΣ ΓΚΟΥΤΗΣ ΚΩΝ/ΝΟΣ ΠΑΤΡΑ, ΣΕΠΤΕΜΒΡΙΟΣ 2006

2

3 Πίνακας Περιεχομένων ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ... iii ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ... iv 1. VOICE OVER INTERNET PROTOCOL Εισαγωγή Δημόσιο Τηλεφωνικό Δίκτυο έναντι VoIP Δικτύου Το Δημόσιο Τηλεφωνικό Δίκτυο (PSTN) Δίκτυα Δεδομένων Μεταγωγή Κυκλώματος έναντι Μεταγωγής Πακέτου Κατανόηση των βασικών λειτουργιών του PSTN και των VoIP Δικτύων Υπηρεσίες Βάσεων Δεδομένων Υπηρεσίες Σηματοδότησης Μηχανισμοί μεταφοράς audio δεδομένων Διαδικασίες Κωδικοποίησης-Αποκωδικοποίησης (CODEC) Τα τμήματα ενός VoIP δικτύου VoIP τηλέφωνα, κονσόλες και άλλες συσκευές τελικών χρηστών Call Processing Server/PBX Media/VoIP Gateways/Gatekeepers Το δίκτυο IP Session Border Controllers Εισαγωγή στα VoIP πρωτόκολλα Εισαγωγή στο πρωτόκολλο SIP (Session Initiation Protocol) Το πρότυπο H Συμπληρωματικά VoIP Πρωτόκολλα ΔΙΚΤΥΑΚΟΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΕΣ Εισαγωγή Τι είναι οι Δικτυακοί Επεξεργαστές Βασικές Λειτουργίες των Network Processors Δομή των Δικτυακών Επεξεργαστών Multiple Programmable Processing Engines Dedicated Hardware Network Interface Επεξεργαστής Γενικού Σκοπού (Control Processor) Memory Προγραμματισμός Δικτυακών Επεξεργαστών Προγραμματισμός του ενσωματωμένου GPP Προγραμματισμός των NPEs Ο Δικτυακός Επεξεργαστής IXP Δυνατότητες και Δομή του IXP Προγραμματισμός του IXP ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ SIP Εισαγωγή SIP Network Elements SIP User Agents (UAs) SIP Proxy Servers SIP Registrar Servers SIP Redirect Servers i -

4 Πίνακας Περιεχομένων 3.3 Μηνύματα και Μέθοδοι SIP Unified Resource Identifier (URI) Πεδία Επικεφαλίδων (Header Fields) SIP Requests SIP Responses Δομή του Πρωτοκόλλου SIP Στρώματα του Πρωτοκόλλου SIP SIP Transactions SIP Dialogs Επιλογή των Παραμέτρων της Κλήσης Το Πρωτόκολλο SDP Επιλογή των Παραμέτρων Κλήσης μέσω του Offer/Answer Model Πραγματοποίηση Κλήσεων με το SIP Registration Επιτυχημένη Εγκατάσταση Κλήσης Αποτυχημένη Εγκατάσταση Κλήσης Τερματισμός Κλήσης ΘΕΜΑΤΑ ΥΛΟΠΟΙΗΣΗΣ Εισαγωγή Αρχιτεκτονική του SIP UA Software Transport Module SIP Message Module SIP Transaction Module SIP UA Core Module VoIP Application Interface Module Validation του SIP UA Software Περιβάλλον και Διαδικασία Ελέγχου Μερικά Βασικά Σενάρια Ελέγχου ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ A A.1 Εισαγωγή A.2 Ανάπτυξη Ενσωματωμένου Λογισμικού A.3 Ανάπτυξη Πρωτοκόλλων A.4 Χρήση Open Sources για την Ανάπτυξη Λογισμικού A.5 Καθορισμός Interface μεταξύ Λογισμικών που αλληλεπιδρούν ii -

5 Κατάλογος Σχημάτων ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1.1: Αρχιτεκτονική VoIP βασισμένη στο πρότυπο H Σχήμα 1.2: H.323 Protocol Stack...17 Σχήμα 2.1: Απόδοση και Ευελιξία των συστημάτων ανάπτυξης εφαρμογών...23 Σχήμα 2.2: Αρχιτεκτονική ενός generic δικτυακού επεξεργαστή Σχήμα 2.3: Αρχιτεκτονική του δικτυακού επεξεργαστή IXP Σχήμα 2.4: Block Diagram του IXP400 Software Library...30 Σχήμα 3.1: Εναλλαγή ρόλων UAS και UAC...34 Σχήμα 3.2: Αρχικοποίηση κλήσης μέσω SIP Proxy Servers Σχήμα 3.3: Δομή ενός μηνύματος SIP...37 Σχήμα 3.4: Τυπικό παράδειγμα λειτουργίας ενός INVITE Client Transaction...46 Σχήμα 3.5: Τυπικό παράδειγμα λειτουργίας ενός non-invite Client Transaction...47 Σχήμα 3.6: Τυπικό παράδειγμα λειτουργίας ενός INVITE Server Transaction Σχήμα 3.7: Τυπικό παράδειγμα λειτουργίας ενός non-invite Server Transaction...49 Σχήμα 3.8: SIP Dialogs και SIP Transactions Σχήμα 3.9: Ανταλλαγή SIP μηνυμάτων για επιτυχές Registration...58 Σχήμα 3.10: Ανταλλαγή SIP μηνυμάτων για επιτυχής εγκατάσταση κλήσης...59 Σχήμα 3.11: Ανταλλαγή SIP μηνυμάτων σε αποτυχία εγκατάστασης κλήσης Σχήμα 3.12: Ανταλλαγή SIP μηνυμάτων κατά τον τερματισμό μιας κλήσης Σχήμα 4.1: Αρχιτεκτονική του Λογισμικού του SIP User Agent...64 Σχήμα 4.1: Registration στον SER...98 Σχήμα 4.2: Ethereal Trace για την διαδικασία Registration στον SER Σχήμα 4.3: Εκτέλεση κλήσης από τον δικό μας UA προς τον SipXphone UA...99 Σχήμα 4.4: Αποδοχή κλήσης από τον χρήστη του SipXphone UA Σχήμα 4.5: Ethereal Trace κατά την εγκατάσταση της κλήσης iii -

6 Κατάλογος Πινάκων ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1.1: Σημαντικότερα πρότυπα κωδικοποίησης...7 Πίνακας 1.2: Μερικά από τα SIP responses Πίνακας 3.1: Τα περισσότερο συνηθισμένα SIP responses...43 Πίνακας 3.2: Τα περισσότερο συνηθισμένα SDP parameters iv -

7 1 VOICE OVER INTERNET PROTOCOL 1.1 Εισαγωγή Με την αλματώδη ανάπτυξη του Internet και την εξάπλωση των δικτύων που βασίζονται στο Internet Protocol (IP), φάνηκε αμέσως η ευκαιρία χρήσης του Διαδικτύου για τη μετάδοση φωνής. Έτσι αναπτύχθηκε η τεχνολογία μετάδοσης φωνής πάνω από IP δίκτυα, που ονομάζεται Voice over IP (VoIP). Η τεχνολογία VoIP, γνωστή και ως Internet Telephony ή IP Telephony παρέχει την ικανότητα πραγματοποίησης τηλεφωνικών κλήσεων, αποστολής Faxes και Video Conferencing μέσω των δικτύων που βασίζονται στο IP πρωτόκολλο, όπως LANs, WANs ή το Διαδίκτυο. Σύμφωνα με την τεχνολογία VoIP, τα αναλογικά σήματα φωνής μετατρέπονται σε ψηφιακά και οργανώνονται σε πακέτα έτοιμα προς αποστολή μέσω ενός IP-based δικτύου. Παρόλο που η παραπάνω τεχνολογία έχει αναπτυχθεί εδώ και αρκετά χρόνια, πρόσφατα έχει αρχίσει να θεωρείται ως βιώσιμη εναλλακτική λύση έναντι των παραδοσιακών δημόσιων τηλεφωνικών δικτύων (PSTN). Το ενδιαφέρον για VoIP έχει αυξηθεί εν μέρει, επειδή η τεχνολογία μπορεί να βοηθήσει πλέον τις εταιρείες παροχής τηλεπικοινωνιών να μειώσουν τις δαπάνες τους, χρησιμοποιώντας ένα ενιαίο IP δίκτυο, υποστηρίζοντας εκτός από υπηρεσίες δεδομένων και υπηρεσίες φωνής. Συνοπτικά, τα πλεονεκτήματα της χρήσης Voice over IP έναντι των κλασικών δημόσιων τηλεπικοινωνιακών δικτύων είναι τα εξής: Μεγαλύτερη απόδοση: Η κλασική τεχνολογία μεταγωγής κυκλώματος που χρησιμοποιεί το δημόσιο τηλεφωνικό δίκτυο (PSTN) απαιτεί την εγκατάσταση και διατήρηση ενός φυσικού μονοπατιού (κύκλωμα) μεταξύ των τελικών χρηστών (endpoints) που επικοινωνούν, καθ όλη τη διάρκεια της συνδιάλεξης, ανεξάρτητα από την ποσότητα της πληροφορίας που ανταλλάσσεται κάθε χρονική στιγμή. Αντίθετα, στα IP δίκτυα, όλη η πληροφορία (voice, text, video, computer programs κ.τ.λ.) μεταφέρεται στο δίκτυο με τη μορφή πακέτων που έχουν

8 Κεφάλαιο 1 Voice Over Internet Protocol προορισμό τον παραλήπτη της πληροφορίας, χωρίς να είναι απαραίτητη η δρομολόγησή τους από τον ίδιο φυσικό δρόμο. Μικρότερο κόστος: Τα συστήματα IP προσφέρουν οικονομικές υπηρεσίες επικοινωνιών. Επιπλέον, η τεχνολογία Internet καθιστά διαθέσιμη την επικοινωνία δύο endpoints που βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση μεταξύ τους, με το κόστος μιας απλής τηλεφωνικής dial-up σύνδεσης στο Internet, παρακάμπτοντας με αυτό τον τρόπο το δημόσιο τηλεφωνικό δίκτυο και τις χρεώσεις του για κλήσεις σε μεγάλες αποστάσεις. Μεγαλύτερη αξιοπιστία: Σε μερικές περιπτώσεις τα δίκτυα IP προσφέρουν υψηλή αξιοπιστία σε σχέση με τα δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος, διότι τα δίκτυα IP επαναδρομολογούν πακέτα που δεν έφθασαν στον προορισμό, λόγω διαφόρων προβλημάτων (βλάβη στο router ή στις γραμμές μετάδοσης). Μειωμένη πολυπλοκότητα και αυξημένη ευελιξία: Το VoIP είναι μια ευκαιρία να ενοποιηθούν υπηρεσίες δεδομένων και υπηρεσίες φωνής, χωρίς όμως να αυξάνεται η πολυπλοκότητα του backbone δικτύου. Έτσι, οι απαιτήσεις σε εξοπλισμό και σε διαχείριση του δικτύου είναι μειωμένες, ενώ παρέχεται ευελιξία στις τροποποιήσεις του δικτύου, όπως η προσθήκη, η τροποποίηση και η διαγραφή κόμβων. Βελτιωμένες ικανότητες: Εκτός από τις υπηρεσίες τηλεφωνίας, η τεχνολογία VoIP παρέχει επιπλέον υπηρεσίες όπως video conferencing, electronic whiteboarding και multimedia/multiservice εφαρμογές. Επιπλέον, τα VoIP δίκτυα σχεδιάζονται ώστε να περιλαμβάνουν χαρακτηριστικά γνωρίσματα όπως advanced call routing, computer integration, unified messaging, toll call bypass και encryption. Παραδείγματος χάριν, χρησιμοποιώντας την τεχνολογία VoIP, παρέχεται η δυνατότητα να ενσωματωθούν call help desks με υπηρεσίες Διαδικτύου, ή η αποστολή φωνητικών μηνυμάτων σε πολλαπλούς αποδέκτες μέσω του Διαδικτύου. Στο κεφάλαιο αυτό θα περιγράψουμε τις βασικές λειτουργίες ενός VoIP δικτύου, τα συστατικά του μέρη, καθώς και τα πρωτόκολλα που είναι υπεύθυνα για την εγκατάσταση, τον έλεγχο και τον τερματισμό μιας VoIP υπηρεσίας-συνομιλίας. Τα πρωτόκολλα αυτά ονομάζονται πρωτόκολλα σηματοδοσίας. Τα πρωτόκολλα σηματοδοσίας για VoIP εφαρμογές και ιδιαίτερα το πρωτόκολλο SIP (Session Initiation Protocol) είναι το βασικό θέμα της παρούσας εργασίας. Συγκεκριμένα, έγινε ανάπτυξη ενός SIP User Agent, το λογισμικό του οποίου θα εκτελείται στο δικτυακό επεξεργαστή IXP425 της Intel, μαζί με τα απαραίτητα πρωτόκολλα για την κωδικοποίηση-αποκωδικοποίηση και μετάδοση δειγμάτων φωνής σε μορφή πακέτων δεδομένων. Το αποτέλεσμα αναμένεται να είναι ένα ολοκληρωμένο προϊόν (VoIP phone) για την πραγματοποίηση VoIP κλήσεων. Το πρωτόκολλο SIP, καθώς και λεπτομέρειες υλοποίησης παρουσιάζονται σε επόμενα κεφάλαια

9 Κεφάλαιο 1 Voice Over Internet Protocol 1.2 Δημόσιο Τηλεφωνικό Δίκτυο έναντι VoIP Δικτύου Στις επόμενες υποενότητες θα περιγράψουμε τη βασική φιλοσοφία και τις τεχνικές λειτουργίας του δημόσιου τηλεφωνικού δικτύου και των VoIP δικτύων. Μέσω της περιγραφής αυτής καθώς και της σύγκρισης των τεχνικών λειτουργίας των παραπάνω δικτύων διαφαίνονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα τους Το Δημόσιο Τηλεφωνικό Δίκτυο (PSTN) Το Δημόσιο Τηλεφωνικό Δίκτυο Μεταγωγής (Public Switched Telephone Network - PSTN), με το οποίο όλοι είμαστε εξοικειωμένοι, προσφέρει τη δυνατότητα αμφίδρομης μετάδοσης φωνής, με μικρές καθυστερήσεις, αλλά και την εγγύηση της ολοκλήρωσης μιας κλήσης όταν αυτή εγκατασταθεί. Η επίτευξη αυτής της ποιότητας υπηρεσιών επιτυγχάνεται με τη δέσμευση ενός απ άκρου σ άκρο φυσικού κυκλώματος ανάμεσα στην πηγή και τον προορισμό της τηλεφωνικής κλήσης, για όσο χρόνο αυτή διαρκεί. Η παραπάνω τεχνική καλείται μεταγωγή κυκλώματός. Ο καλών (caller) χρησιμοποιεί το τηλέφωνό του για να συνδεθεί με την τηλεφωνική συσκευή του ατόμου με το οποίο θέλει να συνομιλήσει (callee), μέσω ενός αριθμού ιδιωτικών και δημοσίων μεταγωγέων (switches) -. Τα σήματα φωνής μεταφέρονται με την ίδια σειρά με την οποία δημιουργούνται, έτσι ώστε να μην αλλοιώνεται η συνομιλία. Με την ολοκλήρωση της κλήσης, το φυσικό μονοπάτι που είχε προηγουμένως δημιουργηθεί, αποδεσμεύει όσους πόρους χρησιμοποίησε. Το PSTN θεωρείται «έξυπνο» δίκτυο υπό την έννοια ότι έχει τη δυνατότητα πρόσβασης σε πραγματικό χρόνο, σε βάσεις δεδομένων προκειμένου να ελέγξει τη δρομολόγηση των τηλεφωνικών κλήσεων. Πολλές από τις πλέον γνωστές υπηρεσίες που προσφέρει σήμερα το PSTN βασίζονται σ αυτήν ακριβώς τη δυνατότητα. Οι πιο γνωστές υπηρεσίες που προσφέρει το PSTN είναι οι εξής: Τηλεφωνικές υπηρεσίες χωρίς χρέωση (αριθμοί που ξεκινούν με το 800). Για τη δρομολόγηση κλήσεων που αφορούν τέτοιους αριθμούς, θα πρέπει πρώτα να εντοπιστεί η κατάλληλη βάση δεδομένων και μετά να αναζητηθεί ο τελικός τηλεφωνικός αριθμός που θα χρησιμοποιηθεί. Ασύρματη περιαγωγή. Σ αυτή την υπηρεσία, το δίκτυο χρησιμοποιεί μία σύνθετη σειρά από μηνύματα σηματοδοσίας για να καταστήσει δυνατές τις εισερχόμενες και εξερχόμενες κλήσεις. Οι βάσεις δεδομένων των συνδρομητών αναζητούνται ώστε να καθοριστούν τα δικαιώματα περιαγωγής σε νέες περιοχές. Τηλεφωνικές κάρτες. Όταν γίνεται μία κλήση με τηλεφωνική κάρτα, γίνεται προσπέλαση σε βάση δεδομένων για να προσδιοριστεί η εγκυρότητα της κάρτας, ώστε να γίνει η κατάλληλη χρέωση. Τέτοιου είδους υπηρεσίες προσδίδουν στο PSTN το χαρακτηρισμό Intelligent Network (IN). Οι IN υπηρεσίες του PSTN αρχικοποιούνται, ελέγχονται και τερματίζονται από το πρωτόκολλο σηματοδοσίας SS7 (Signaling System 7)

10 Κεφάλαιο 1 Voice Over Internet Protocol Δίκτυα Δεδομένων Η φιλοσοφία που διέπει τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ συνδεδεμένων - σ ένα ή περισσότερα δίκτυα - υπολογιστών, ονομάζεται μεταγωγή πακέτου (packet switching) και είναι διαφορετική από τη μεταγωγή κυκλώματος που ισχύει για το δημόσιο τηλεφωνικό δίκτυο. Η διαφορά συνίσταται στο ότι δε δεσμεύεται ένα φυσικό μονοπάτι ανάμεσα στα επικοινωνούντα σημεία, αλλά η πληροφορία που μεταφέρεται, διαιρείται πρώτα σε πολλά μικρά πακέτα. Κάθε ένα απ αυτά τα πακέτα μεταδίδεται μέσα από τη δικτυακή υποδομή στη συσκευή προορισμού, όπου και γίνεται η αναδημιουργία της αρχικής πληροφορίας, με βάση τα στοιχεία που υπάρχουν στην επικεφαλίδα κάθε πακέτου. Η πορεία των πακέτων από την πηγή στον προορισμό μπορεί να είναι διαφορετική για κάθε πακέτο, με αποτέλεσμα να είναι πιθανό τα πακέτα δεδομένων να μην φτάσουν στην άλλη άκρη με τη σειρά με την οποία στάλθηκαν. Με τη χρήση όμως, της πληροφορίας που περιέχεται στην επικεφαλίδα, τα πακέτα συναρμολογούνται με τη σωστή σειρά. Επιπλέον, μπορούν να μεταδοθούν συγχρόνως περισσότερα από ένα πακέτα μέσω της ίδιας φυσικής γραμμής, λόγω ειδικών χαρακτηριστικών που είναι ενσωματωμένα στην τεχνική της μεταγωγής πακέτου Μεταγωγή Κυκλώματος έναντι Μεταγωγής Πακέτου Μια χρήσιμη αναλογία ανάμεσα στα δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος και μεταγωγής πακέτου, είναι το σιδηροδρομικό έναντι του οδικού δικτύου. Το σιδηροδρομικό δίκτυο μοιάζει με δίκτυο μεταγωγής κυκλώματος, επειδή η διαδρομή είναι εξ αρχής καθορισμένη και δεν απαιτείται ιδιαίτερη «εξυπνάδα» από τον οδηγό του για να φτάσει στον τελικό προορισμό. Αντίθετα, στο οδικό δίκτυο υπάρχουν αρκετές συνήθως εναλλακτικές διαδρομές που μπορεί να ακολουθήσει ένα αυτοκίνητο, ενώ επιπλέον απαιτείται και κάποιου είδους "εξυπνάδα" από τον οδηγό του για να φτάσει στον τελικό προορισμό του. Με βάση τον παραπάνω παραλληλισμό μπορεί κανείς να διακρίνει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της μεταγωγής κυκλώματος και της μεταγωγής πακέτου. Τα πλεονεκτήματα των δικτύων μεταγωγής κυκλώματος είναι ότι παρέχουν συγκεκριμένο εύρος ζώνης ανάμεσα στα επικοινωνούντα σημεία και επομένως, μπορούν να εγγυηθούν μία σταθερή ποιότητα υπηρεσιών, όπως είναι η ποιότητα των δεδομένων, η μέγιστη καθυστέρηση κ.ά. Στα μειονεκτήματα συγκαταλέγεται η κακή χρησιμοποίηση των δικτυακών πόρων. Από την άλλη μεριά, τα δίκτυα μεταγωγής πακέτου έχουν το πλεονέκτημα της ασυγκρίτως οικονομικότερης χρήσης των πόρων. Τα μειονεκτήματα τους σχετίζονται με τις επικοινωνίες σε πραγματικό χρόνο, μιας και παρέχουν μεταβλητή κι όχι εγγυημένη ποιότητα υπηρεσιών εξαιτίας της συμφόρησης που είναι δυνατόν να προκύψει σε δρομολογητές και διαμοιραζόμενα κυκλώματα. Επίσης, μειονέκτημα αποτελεί και η καθυστέρηση που δημιουργείται από τη συμπίεση, την αποσυμπίεση και την επεξεργασία των πληροφοριών που περιέχονται στην επικεφαλίδα των πακέτων

11 Κεφάλαιο 1 Voice Over Internet Protocol 1.3 Κατανόηση των βασικών λειτουργιών του PSTN και των VoIP Δικτύων Πριν αναφερθούμε σε λεπτομέρειες των τμημάτων και των τεχνολογιών δικτύωσης VoIP, είναι σημαντικό να γίνουν κατανοητές οι βασικές δικτυακές λειτουργίες που καθιστούν λειτουργικές τις υπηρεσίες φωνής μέσω του δικτύου IP. Οι βασικές λειτουργίες των δικτύων PSTN και VoIP που καθιστούν δυνατή την επίτευξη επικοινωνίας μεταξύ δύο ή περισσοτέρων χρηστών είναι οι παρακάτω: Υπηρεσίες βάσεων δεδομένων για τον εντοπισμό των χρηστών που επιθυμούν να επικοινωνήσουν, καθώς και την μετάφραση διαφορετικών τρόπων διευθυνσιοδότησης, στην περίπτωση που οι τελικοί χρήστες ανήκουν σε ετερογενή δίκτυα. Υπηρεσίες σηματοδότησης για την εγκατάσταση, τον έλεγχο και τον τερματισμό της επικοινωνίας μεταξύ των τελικών χρηστών (end points). Μηχανισμούς μεταφοράς δεδομένων φωνής μέσω του επικοινωνιακού διαύλου. Διαδικασίες κωδικοποίησης-αποκωδικοποίησης (CODEC) για την μετατροπή του αναλογικού σήματος φωνής σε ψηφιακό και αντίστροφα, για να είναι δυνατή η μετάδοση μέσω του επικοινωνιακού διαύλου και η μετατροπή του σήματος φωνής σε ακουστικό σήμα Υπηρεσίες Βάσεων Δεδομένων Τα δίκτυα PSTN και VoIP χρησιμοποιούν υπηρεσίες βάσεων δεδομένων για τον εντοπισμό των τελικών χρηστών, καθώς και για την μετάφραση διαφορετικών τρόπων διευθυνσιοδότησης μεταξύ χρηστών που ανήκουν σε ετερογενή δίκτυα. Αυτές οι βάσεις δεδομένων περιλαμβάνουν: Μια βάση δεδομένων ελέγχου κλήσης (Call Control Data Base), που περιέχει την αντιστοίχηση των λογικών διευθύνσεων των endpoints (οι VoIP συσκευές των τελικών χρηστών) σε φυσικές διευθύνσεις. Επιπλέον, η παραπάνω βάση δεδομένων περιλαμβάνει και την κατάλληλη μετάφραση λογικών διευθύνσεων ετερογενών δικτύων. Μια λειτουργία υποστήριξης και καταγραφής τιμολόγησης για τους τελικούς χρήστες. Λειτουργίες ασφάλειας δικτύων παραδείγματος χάριν, η δυνατότητα να αποτραπεί ένα συγκεκριμένο endpoint από την πραγματοποίηση διεθνών κλήσεων. Αντίθετα από το PSTN, που προσδιορίζει τα endpoints από τους τηλεφωνικούς αριθμός τους, τα VoIP δίκτυα προσδιορίζουν τα endpoints από τη IP διεύθυνση τους και το port number. Η αντιστοίχηση της λογικής διεύθυνσης ενός endpoint σε IP διεύθυνση και port number (φυσική διεύθυνση) μπορεί να πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας το σύστημα DNS (Domain Name Service)

12 Κεφάλαιο 1 Voice Over Internet Protocol Υπηρεσίες Σηματοδότησης Η σηματοδότηση επιτρέπει στις μεμονωμένες συσκευές δικτύων να εγκαταστήσουν και να τερματίσουν μια κλήση προς μία άλλη συσκευή. Το δίκτυο PSTN, καθώς και τα VoIP δίκτυα στηρίζονται στη σηματοδότηση για να ενεργοποιήσουν, να συντονίσουν και να απενεργοποιήσουν τα διάφορα συστατικά μέρη του δικτύου, τα οποία απαιτούνται για να εγκατασταθεί και να ολοκληρωθεί μια κλήση. Σε ένα δίκτυο PSTN, τα τηλέφωνα επικοινωνούν με ένα αναλογικό Class 5 Switch ή με ένα PBX για την εγκατάσταση και την δρομολόγηση μιας κλήσης. Από την άλλη μεριά, σε ένα VoIP δίκτυο, τα VoIP endpoints επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω ανταλλαγής IP μηνυμάτων διαγραμμάτων δεδομένων (IP Datagram Messages). Η μορφή αυτών των μηνυμάτων υπαγορεύεται από το εκάστοτε πρωτόκολλο σηματοδοσίας. Τα πιο συνηθισμένα από αυτά είναι το H.323, το SIP (Session Initiation Protocol), το MGCP (Media Gateway Control Protocol) και το H Μηχανισμοί μεταφοράς audio δεδομένων Το PSTN χρησιμοποιεί Pulse Code Modulation (PCM) για την αναπαράσταση των αναλογικών ακουστικών συχνοτήτων, επιτρέποντας την μετάδοση του audio payload μέσω των DS-0 (Digital Signal- 0) καναλιών ως μια ψηφιακά κωδικοποιημένη τιμή. Κάθε DS-0 είναι ένα αμφίδρομο κανάλι των 64 kbps που δεσμεύεται αποκλειστικά για τη σύνοδο επικοινωνίας κατά τη διάρκεια της κλήσης. Όπως το PSTN, έτσι και τα δίκτυα VoIP χρησιμοποιούν PCM για την κωδικοποίηση του audio payload. Εντούτοις, αντί για την μετάδοση του audio payload μέσω ενός DS-0 καναλιού, τα VoIP δίκτυα μεταφέρουν το audio payload χρησιμοποιώντας τους διαθέσιμους πόρους δικτύων. Για να ολοκληρώσουν μια σύνδεση, τα VoIP δίκτυα τοποθετούν ένα σύνολο ενός ή περισσότερων δειγμάτων PCM, γνωστό ως πλαίσια (frames), σε ένα διάγραμμα δεδομένων IP (IP Datagram). Στη συνέχεια τα παραπάνω διαγράμματα δεδομένων κωδικοποιούνται σύμφωνα με το πρωτόκολλο RTP (Real-Time Protocol) και μεταδίδονται μέσω ενός routed ή packet-forwarded IP δικτύου Διαδικασίες Κωδικοποίησης-Αποκωδικοποίησης (CODEC) Η τέταρτη βασική λειτουργία που είναι απαραίτητη για την ορθή λειτουργία των PSTN και VoIP δικτύων είναι η διαδικασία μετατροπής των αναλογικών ακουστικών σημάτων σε ψηφιακά σήματα, ώστε να είναι δυνατή η μετάδοση του σήματος μέσω του δικτύου, καθώς και η αντίστροφη διαδικασία για την παραγωγή ακουστικού σήματος για τον τελικό παραλήπτη. Για την επίτευξη του παραπάνω στόχου, το PSTN καθώς και τα VoIP δίκτυα χρησιμοποιούν κωδικοποιητές και αποκωδικοποιητές φωνής (VOCODERS). Η διαδικασία κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης είναι αρκετά σύνθετη, γι αυτό δεν θα μπούμε σε λεπτομέρειες. Αξίζει μόνο να αναφερθεί ότι υπάρχουν πολλοί αλγόριθμοι για το μετασχηματισμό ενός αναλογικού σήματος φωνής σε ψηφιακό. Κάθε αλγόριθμος έχει διαφορετικές ανάγκες εύρους ζώνης και διαφορετικές ικανότητες συμπίεσής. Στον Πίνακα 1.1 παρουσιάζονται μερικά από τα σημαντικότερα πρότυπα κωδικοποίησης που καλύπτονται από το International Telecommunications Union (ITU)

13 Κεφάλαιο 1 Voice Over Internet Protocol Όνομα Περιγραφή Bit Rate (kb/s) Sampling Rate (KHz) Frame Size (ms) ADPCM (DVI) ADPCM 32 8 sample G.711 Pulse code modulation (PCM) 64 8 sample G.721 Adaptive differential pulse code modulation (ADPCM) 32 8 sample G khz audio-coding within 64 kbit/s sample G.722.a Coding at 24 and 32 kbit/s for handsfree operation in systems with low frame loss 24/ G.723 Extensions of Recommendation G.721 adaptive differential pulse code modulation to 24 and 40 kbit/s for digital circuit multiplication equipment application 24/40 8 sample G Dual rate speech coder for multimedia communications transmitting at 5.3 and 6.3 kbit/s 5.6/ G , 32, 24, 16 kbit/s adaptive differential pulse code modulation (ADPCM) G , 4-, 3- and 2-bit/sample embedded adaptive differential pulse code modulation (ADPCM) G.728 Coding of speech at 16 kbit/s using low-delay code excited linear prediction G.729 Coding of speech at 8 kbit/s using conjugate-structure algebraic-codeexcited linear-prediction (CS-ACELP) 16/24/32/40 8 sample var.? sample GSM Regular Pulse Excitation Long Term Predictor (RPE-LTP) Πίνακας 1.1: Σημαντικότερα πρότυπα κωδικοποίησης

14 Κεφάλαιο 1 Voice Over Internet Protocol 1.4 Τα τμήματα ενός VoIP δικτύου Παρόλο που τα VoIP δίκτυα υιοθετούν μια διαφορετική προσέγγιση για την πραγματοποίηση των τεσσάρων βασικών λειτουργιών που αναφέρθηκαν στην προηγούμενη ενότητα, τα σημαντικότερα τμήματα που αποτελούν ένα VoIP δίκτυο είναι παρόμοια σε λειτουργία με τα αντίστοιχα του δημόσιου τηλεφωνικού δικτύου (PSTN). Το συμπέρασμα που προκύπτει από την παραπάνω παρατήρηση είναι ότι τα VoIP δίκτυα μπορούν να εκτελέσουν τις ίδιες στοιχειώδεις λειτουργίες του PSTN. Ένα τυπικό VoIP δίκτυο αποτελείται από τα ακόλουθα πέντε τμήματα: VoIP τηλέφωνα, κονσόλες και άλλες συσκευές, που οι τελικοί χρήστες χρησιμοποιούν για τις εισερχόμενες και εξερχόμενες VoIP κλήσης. Call Processing Server/PBX, που διαχειρίζονται και ελέγχουν τις VoIP κλήσεις. Media/PSTN-to-VoIP Gateways, για την συνεργασία του Δημόσιου Τηλεφωνικού Δικτύου (PSTN) και ενός δικτύου VoIP. Κάτι τέτοιο πρακτικά σημαίνει ότι με τη βοήθεια ενός Media/PSTN-to-VoIP Gateways είναι δυνατόν να πραγματοποιούνται κλήσεις μεταξύ χρηστών που ανήκουν σε δύο διαφορετικά επικοινωνιακά δίκτυα. Δίκτυο IP, για την μεταφορά της audio πληροφορίας. Session Border Controllers (SBCs), τα οποία ελέγχουν σε πραγματικό χρόνο τη συμφόρηση του δικτύου κατά την ανταλλαγή μηνυμάτων σηματοδοσίας VoIP τηλέφωνα, κονσόλες και άλλες συσκευές τελικών χρηστών Για την πραγματοποίηση VoIP κλήσεων, οι τελικοί χρήστες μπορούν να χρησιμοποιήσουν ποικίλες VoIP συσκευές και κονσόλες. Τα VoIP τηλέφωνα είναι είτε βασισμένα σε υλικό και μοιάζουν με τα παραδοσιακά αναλογικά τηλέφωνα ή είναι βασισμένα σε λογισμικό και είναι γνωστά ως softphones. Τα softphones προσφέρουν τα ίδια βασικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα με τα βασισμένα σε υλικό VoIP τηλέφωνα, αλλά στοχεύουν πρωτίστως σε κινητούς χρήστες, οι οποίοι χρησιμοποιούν φορητό υπολογιστή. Οι κονσόλες VoIP είναι εφαρμογές που προσφέρουν ορισμένα χαρακτηριστικά ελέγχου και περιλαμβάνουν συνήθως ένα εγκατεστημένο λογισμικό softphone. Μπορούν επίσης να αλληλεπιδράσουν με μία VoIP τηλεφωνική συσκευή. Τον τελευταίο καιρό έχει αναπτυχθεί ένας νέος τύπος VoIP συσκευής, στην οποία συνδέεται μια απλή αναλογική τηλεφωνική συσκευή και ένα καλώδιο δικτύου (κυρίως Ethernet) μέσω του οποίου πραγματοποιείται η διασύνδεση με το δίκτυο IP. Η συσκευή αυτή μπορεί να διαθέτει είτε έναν γενικού σκοπού επεξεργαστή, ή ειδικού σκοπού υλικό, ή και τα δύο για την εκτέλεση των απαραίτητων VoIP πρωτοκόλλων. Η παρούσα εργασία αφορά την υλοποίηση του πρωτοκόλλου σηματοδοσίας SIP και πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια ανάπτυξης μιας τέτοιας συσκευής, η οποία θα διαθέτει τον δικτυακό επεξεργαστή IXP425 για την εκτέλεση των απαραίτητων πρωτοκόλλων για την διεξαγωγή VoIP κλήσεων

15 Κεφάλαιο 1 Voice Over Internet Protocol Call Processing Server/PBX Η καρδιά ενός VoIP δικτύου είναι ο κεντρικός server ελέγχου και διαχείρισης των εν εξελίξει VoIP συνδιαλέξεων. Κατά την εξέλιξη μιας VoIP συνδιάλεξης, δύο τύποι πληροφοριών «κυκλοφορούν» στο δίκτυο: Δεδομένα φωνής, γνωστά ως audio payload. Δεδομένα σηματοδοσίας για την εγκατάσταση ή τον τερματισμό μιας VoIP κλήσης. Οι κεντρικοί VoIP servers συνήθως δεν διαχειρίζονται τη μεταφορά audio payloads, αλλά διαχειρίζονται τα δεδομένα σηματοδοσίας που ανταλλάσσονται μεταξύ χρηστών για τον έλεγχο, την αρχικοποίηση και τον τερματισμό μιας VoIP κλήσης, όπως για παράδειγμα μηνύματα SIP Media/VoIP Gateways/Gatekeepers Το δίκτυο VoIP χρησιμοποιεί media gateways για την εκτέλεση των λειτουργιών CODEC μετατροπή του σήματος φωνής από αναλογική σε ψηφιακή μορφή και τη δημιουργία των πακέτων φωνής IP. Ένα media gateway παρέχει το απαραίτητο interface για τη μεταφορά του περιεχομένου φωνής μέσω του δικτύου, μετατρέποντας τη συνομιλία σε μια ενιαία μεταφορά RTP (UDP) πακέτων μέσω του δικτύου IP. Τα media gateways παρέχουν επίσης προαιρετικές λειτουργίες, όπως η αναλογική ή/και ψηφιακή συμπίεση φωνής, η ακύρωση ηχούς (echo cancellation), η καταστολή σιωπής (silence suppression), και η συλλογή στατιστικών (statistics gathering). Επιπλέον, μπορούν να εμφανιστούν με διάφορες μορφές, όπως για παράδειγμα, dedicated πλαίσια τηλεπικοινωνιακού εξοπλισμού, ή γενικού σκοπού PCs που εκτελούν VoIP λογισμικό. Στην περίπτωση μιας VoIP τηλεφωνικής συσκευής, οι λειτουργίες των media gateways εκτελούνται από την ίδια τη συσκευή του τηλεφώνου. Τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα και οι υπηρεσίες των media gateways περιλαμβάνουν μερικά ή όλα από τα ακόλουθα χαρακτηριστικά: Πύλες ζεύξεων που διασυνδέουν δίκτυα VoIP και το δίκτυο PSTN. Cable Modems, συσκευές xdsl, ευρυζωνικές ασύρματες συσκευές και άλλες πύλες που παρέχουν interface μεταξύ του παραδοσιακού αναλογικού τηλεπικοινωνιακού δικτύου και των IP-based δικτύων. Η βιομηχανία μερικές φορές χρησιμοποιεί εναλλακτικά τους όρους "gateway" και "gatekeeper". Αυτό απεικονίζει το γεγονός της προόδου της τεχνολογίας, επιτρέποντας στην ίδια συσκευή να εκτελεί gatekeeping λειτουργίες, όπως Call Admission Control και διαχείριση εύρους ζώνης, καθώς επίσης και την μετατροπή του σήματος φωνής από αναλογικό σε ψηφιακό σήμα, καθώς και άλλες στοιχειώδεις εργασίες επεξεργασίας φωνής που παραδοσιακά εκτελούνται από media gateways

16 Κεφάλαιο 1 Voice Over Internet Protocol Το δίκτυο IP Τα δίκτυα IP έχουν χρησιμοποιηθεί από πολλές υπηρεσίες μεταφοράς δεδομένων και παραμένουν μια σταθερή αξία στα δίκτυα επικοινωνιών, προσφέροντας ικανοποιητική ποιότητα. Παρόλα αυτά, στην περίπτωση που τα δεδομένα είναι μια ακολουθία δειγμάτων φωνής, τότε απαιτείται μεταφορά σε πραγματικό χρόνο, διότι τέτοιου είδους πληροφορία είναι εξαιρετικά ευαίσθητη στην καθυστέρηση, στην απώλεια πακέτων και στο φαινόμενο jitter. Εάν στα πλαίσια μιας υπηρεσίας, το IP δίκτυο χρησιμοποιείται για την μεταφορά άλλου είδους δεδομένων εκτός από μεταφορά φωνής, τότε το δίκτυο πρέπει να είναι σε θέση να διακρίνει μεταξύ αυτών των διαφορετικών τύπων κυκλοφορίας και να δώσει ανάλογη προτεραιότητα. Η τάξη της υπηρεσίας (CoS) εξασφαλίζει ότι δίνεται προτεραιότητα στα πακέτα μιας συγκεκριμένης εφαρμογής. Η δυνατότητα να δοθεί προτεραιότητα σε κάποιο τύπο κυκλοφορίας σύμφωνα με CoS είναι μια ελάχιστη απαίτηση για τις real-time VoIP εφαρμογές, επειδή επιτρέπει στο δίκτυο IP να μην επηρεάζονται οι υπηρεσίες φωνής από άλλες κυκλοφοριακές ροές. Ωστόσο, πρέπει να κρατηθεί μια ισορροπία στην προτεραιότητα εξυπηρέτησης ώστε το IP δίκτυο να μην υποφέρει τις ανεπάρκειες των αφιερωμένων κυκλωμάτων του PSTN Session Border Controllers Οι Session Border Controllers ελέγχουν σε πραγματικό χρόνο, την κυκλοφορία του δικτύου κατά την ανταλλαγή μηνυμάτων σηματοδοσίας (έλεγχος κλήσης). Τα SBCs υποστηρίζουν ταυτόχρονα τα VoIP πρωτόκολλα σηματοδοσίας, όπως SIP, H.323, H.248, και MGCP, καθώς επίσης και τα πρωτόκολλα RTP (Real-Time Transport Protocol) και RTCP (Real-Time Transport Control Protocol) που συνδέονται με τη μεταφορά φωνής, βίντεο, ή άλλων πολυμεσικών δεδομένων. Με το συσχετισμό της σηματοδότησης και της μεταφοράς πολυμεσικών δεδομένων κατά την εξέλιξη μιας VoIP κλήσης, τα SBCs είναι σε θέση να ελέγξουν την ασφάλεια υπηρεσιών και την ποιότητα της υπηρεσίας (QoS), καθώς επίσης και την αλληλεπίδραση μεταξύ διαφορετικών επικοινωνιακών δικτύων. Επειδή το SBC μπορεί να ελέγξει το περιεχόμενο της πληροφορίας κατά την εξέλιξη μιας VoIP επικοινωνίας, μπορεί ταυτόχρονα να ελέγχει και το εύρος ζώνης και να απομονώνει τα προβλήματα του δικτύου. 1.5 Εισαγωγή στα VoIP πρωτόκολλα Υπάρχουν ποικιλία προϊόντων VoIP, καθώς και εφαρμογές με ένα ευρύ φάσμα χαρακτηριστικών γνωρισμάτων και λειτουργιών. Δύο είναι οι σημαντικότεροι οργανισμοί που ελέγχουν αυτήν την περίοδο την ανάπτυξη προτύπων για VoIP εφαρμογές,: ο οργανισμός ITU (International Telecommunication Union) και o οργανισμός IETF (Internet Engineering Task Force). Οι δύο αυτοί οργανισμοί αναπτύσσουν παράλληλα πρότυπα για VoIP εφαρμογές, με αποτέλεσμα να υπάρχουν περισσότερες από μία λύσεις για το ίδιο πρόβλημα. Επιπλέον, μερικές εταιρείες ανάπτυξης προϊόντων VoIP προσθέτουν νέες λειτουργίες στα παραπάνω πρότυπα, με σκοπό την κάλυψη πιθανών κενών και την ανάπτυξη ενός προϊόντος που θα χαρακτηρίζει την εταιρεία

17 Κεφάλαιο 1 Voice Over Internet Protocol Υπάρχουν διάφορα VoIP πρωτόκολλα. Κάθε ένα από αυτά τα πρωτόκολλα έχει τις δυνατότητές του και τις αδυναμίες σε σχέση με την απαιτούμενη ποιότητα παροχής υπηρεσιών. Τα κυριότερα πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται για VoIP εφαρμογές είναι το ITU standard H.323 και το IETF Standard SIP. Και τα δύο πρωτόκολλα ανήκουν στην κατηγορία των πρωτοκόλλων σηματοδοσίας και δεν συνιστούν από μόνα τους μία ολοκληρωμένη VoIP εφαρμογή. Για το λόγω αυτό πρέπει να συνυπάρχουν και να συνεργάζονται με επιπλέον πρωτόκολλα, όπως SDP, RTP, RTCP, RTSP και MGCP/MEGACO. Τα παραπάνω πρωτόκολλα αφορούν την περιγραφή των παραμέτρων μιας VoIP κλήσης, τη μεταφορά δεδομένων φωνής ή άλλων πολυμεσικών δεδομένων μεταξύ δύο ή περισσοτέρων τελικών χρηστών, ενώ επιπλέον, επιτρέπουν την επικοινωνία χρηστών που ανήκουν σε διαφορετικά δίκτυα. Στις επόμενες υποενότητες θα παρουσιάσουμε σύντομα τα δύο βασικά VoIP πρωτόκολλα, καθώς και τα συμπληρωματικά πρωτόκολλα που αναφέρθηκαν παραπάνω Εισαγωγή στο πρωτόκολλο SIP (Session Initiation Protocol) Το πρωτόκολλο SIP, που περιγράφεται στο RFC 3261, είναι ένα πρωτόκολλο του στρώματος-εφαρμογής, μέσω του οποίου μπορεί να εγκατασταθεί, να τροποποιηθεί και να τερματιστεί μια VoIP επικοινωνία. Το SIP είναι ένα text-based πρωτόκολλο που μοιάζει με το πρωτόκολλο μεταφοράς υπερκειμένων (HTTP) και το απλό πρωτόκολλο μεταφοράς ταχυδρομείου (SMTP). Όπως αυτά τα πρωτόκολλα, έτσι και το SIP είναι ένα πρωτόκολλο βασισμένο στο μοντέλο πελατών εξυπηρετητών (client-server model). Για το λόγω αυτό τα αιτήματα (requests) παράγονται από μια οντότητα χρήστη (client), αποστέλλονται σε μια οντότητα εξυπηρετητή (server), η οποία στη συνέχεια αποκρίνεται σε αυτά τα αιτήματα. Μια βασική λειτουργία του SIP είναι η δυνατότητα διαπραγμάτευσης των παραμέτρων των επικοινωνιών, έτσι ώστε όλοι οι συμμετέχοντες να συμφωνούν για τα βασικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα της επικοινωνίας, όπως για παράδειγμα τους audio CODECs, που χρησιμοποιούνται για την κωδικοποίηση-αποκωδικοποίηση των δειγμάτων φωνής που θα ανταλλάσσονται κατά την επικοινωνία. Η περιγραφή, ωστόσο, όλων αυτών των παραμέτρων μιας VoIP κλήσης, δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί μέσω του πρωτοκόλλου SIP. Για το λόγω αυτό, το SIP χρησιμοποιεί ένα άλλο πρωτόκολλο, που ονομάζεται Session Description Protocol (SDP), μέσω του οποίου είναι δυνατόν να περιγράφονται με λεπτομέρεια όλες οι παράμετροι μιας VoIP κλήσης Βασικές οντότητες SIP Οι τέσσερις βασικές οντότητες του πρωτοκόλλου SIP είναι οι εξής: SIP User Agents (SIP clients), SIP Registrar Servers, SIP Proxy Servers και SIP Redirect Servers. Όλες οι παραπάνω οντότητες μπορούν να παραλαμβάνουν και να στέλνουν SIP messages, για την εγκατάσταση μιας VoIP κλήσης

18 Κεφάλαιο 1 Voice Over Internet Protocol SIP User Agents (UA) Οι SIP User Agents (UAs) είναι το λογισμικό που εκτελείται από τις συσκευές των τελικών χρηστών, όπως τα cell phones, τις μικροσυσκευές πολυμέσων, τα PCs και τα PDAs, κατά την διάρκεια εγκατάστασης μιας VoIP κλήσης. Ένας SIP user agent μπορεί να λειτουργήσει είτε ως User Agent Client (UAC) ή ως User Agent Server (UAS). Ο ρόλος του UAC ενεργοποιείται όταν ο τελικός χρήστης πραγματοποιεί μια κλήση, στέλνοντας ένα INVITE SIP request, ενώ ο ρόλος του UAS ενεργοποιείται όταν ο τελικός χρήστης δέχεται μια εισερχόμενη κλήση και απαντά σε αυτή στέλνοντας ένα SIP response. SIP Proxy Servers Οι SIP Proxy Servers είναι το λογισμικό που εκτελείται από τους κεντρικούς κόμβους ενός VoIP δικτύου και αποδέχεται τα requests που υποβάλλονται από τους SIP UAs (UAC) για εγκατάσταση επικοινωνίας. Όταν οι SIP Proxy Servers λαμβάνουν ένα τέτοιο SIP request από ένα χρήστη, αρχικά επικοινωνούν με τον SIP Registrar Server για να λάβουν πληροφορία για την τρέχουσα θέση του χρήστη που καλείται. Στην περίπτωση που ο χρήστης αυτός εντοπιστεί τότε το SIP request προωθείται στον UAS του χρήστη, αλλιώς το SIP request προωθείται στον επόμενο κόμβο SIP Proxy Server. Εάν ο χρήστης που καλείται δεν βρεθεί μετά από έναν αριθμό προσπαθειών να εντοπιστεί, τότε ο SIP Proxy Server απαντά κατάλληλα, αποστέλλοντας ένα SIP response, στον αρχικό χρήστη που έστειλε το αίτημα για επικοινωνία. Ένας SIP Proxy Server ερμηνεύει και εάν είναι απαραίτητο, τροποποιεί ένα SIP request πριν το αποστείλει στον αντίστοιχο SIP UA ή σε άλλον SIP Proxy Server. διαβίβαση του. SIP Redirect Server Ένας SIP Redirect Server δεν προωθεί requests σε επόμενους SIP Redirect Servers, όπως στην περίπτωση ενός SIP Proxy Server, αλλά αποκρίνεται σε ένα SIP request, με μία ή περισσότερες νέες τρέχουσες διευθύνσεις, έτσι ώστε οι SIP UACs να αποστείλουν νέα SIP requests σε εναλλακτικές τοποθεσίες. Οι SIP Redirect Servers μπορούν να συνυπάρχουν στο ίδιο υλικό με SIP Registrar Servers και SIP Proxy Servers. SIP Registrar Server Ένας SIP Registrar Server αποδέχεται REGISTER requests και δημιουργεί εγγραφές που αντιστοιχούν τις λογικές διευθύνσεις των χρηστών του domain για το οποίο είναι υπεύθυνοι, με φυσικές διευθύνσεις της τρέχουσας θέσεις τους. Για παράδειγμα, η λογική διεύθυνση sip:guest@sipcenter.com του χρήστη guest, αντιστοιχείται για παράδειγμα στη φυσική διεύθυνση sip:guest@ , η οποία περιέχει πληροφορία για την τρέχουσα θέση του. Οι SIP Registrar Servers δημιουργούν βάσεις δεδομένων με τέτοιες εγγραφές για όλους τους ενεργούς χρήστες (UAs) του domain. Κατά την διάρκεια εγκατάστασης μιας κλήσης ο

19 Κεφάλαιο 1 Voice Over Internet Protocol SIP Registrar Server ανακτά και στέλνει την τρέχουσα φυσική διεύθυνση του καλούμενου χρήστη στον SIP Proxy Server για την κατάλληλη προώθηση του αρχικού SIP request SIP Requests και Responses Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω τα SIP μηνύματα χωρίζονται σε requests και τα responses. Τα requests είναι μηνύματα που αποστέλλονται από ένα SIP UAC και λαμβάνονται από έναν SIP UAS, ενώ τα responses είναι μηνύματα που αποστέλλονται από έναν SIP UAS και λαμβάνονται από έναν SIP UAC. Τα requests και τα responses περιλαμβάνουν έναν ελάχιστο αριθμό από διαφορετικές επικεφαλίδες (headers) για την περιγραφή των λεπτομερειών της επικοινωνίας. Τα βασικά SIP Requests που είναι απαραίτητο να υποστηρίζονται από οποιαδήποτε SIP υλοποίηση είναι τα ακόλουθα: REGISTER: Αποστέλλεται από το SIP UACs ενός χρήστη, με σκοπό να ενημερωθεί ο SIP Registrar Server για την είσοδό του στο domain που ελέγχει ο server. INVITE: Αποστέλλεται από το SIP UACs ενός χρήστη για να καλέσει σε επικοινωνία έναν ή περισσότερους άλλους χρήστες. Το σώμα του μηνύματος μπορεί να περιέχει την περιγραφή των παραμέτρων της επικοινωνίας, περιλαμβάνοντας ένα SIP body message, όπως για παράδειγμα ένα SDP message. ACK: Το SIP request ACK αποστέλλεται από το SIP UAC ενός χρήστη για να επιβεβαιώσει ότι ο χρήστης έχει λάβει μια τελική απάντηση για ένα INVITE request που έστειλε προηγουμένως. Να σημειωθεί ότι το ACK request χρησιμοποιείται για να επιβεβαιώσει την λήψη τελικής απάντησης μόνο για INVITE requests. OPTIONS: Αποστέλλεται από το SIP UAC ενός χρήστη για να εξακριβώσει τις media ικανότητες ενός απομακρυσμένου χρήστη, όπως για παράδειγμα των αριθμό και το είδος των audio codecs που υποστηρίζει ο απομακρυσμένος χρήστης. BYE: Αποστέλλεται από το SIP UAC ενός χρήστη για να τερματίσει μια εν εξελίξει επικοινωνία με έναν απομακρυσμένο χρήστη. Να σημειωθεί ότι για να χρησιμοποιηθεί το BYE request πρέπει πρώτα να έχει εγκατασταθεί η κλήση. CANCEL: Αποστέλλεται από το SIP UAC ενός χρήστη με σκοπό να ακυρώσει μια κλήση η οποία δεν έχει εγκατασταθεί ακόμη, δεν έχει γίνει δηλαδή λήψη τελικού response για το INVITE request που έστειλε ο χρήστης προηγουμένως

20 Κεφάλαιο 1 Voice Over Internet Protocol Κατηγορία Response Code Περιγραφή Μερικά Response Codes 1XX Informational 100 Trying 180 Ringing 2XX Successful 200 OK 3XX Redirection 301 Moved Permanently 302 Moved Temporarily 4XX Client Failure 400 Bad Request 401 Unauthorized 404 Not Found 407 Proxy Authentication Required 5XX Server Failure 500 Server Internal Error 501 Not Implemented 6XX Global Failures 600 Busy Everywhere 603 Decline 604 Does Not Exist Anywhere Πίνακας 1.2: Μερικά από τα SIP responses. Ένα SIP request αποστέλλεται και παραδίδεται, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, στον SIP UAS του τελικού χρήστη-παραλήπτη. Ο SIP UAS στη συνέχεια αποκρίνεται στο αρχικό με ένα SIP request, με ένα SIP response που δηλώνει επιτυχία ή αποτυχία. Τα SIP responses μπορούν να ανήκουν σε μία από τις έξη διαφορετικές κατηγορίες responses. Επιπλέον, κάθε response αποτελείται από τρία ακέραια ψηφία. Το πρώτο ψηφίο καθορίζει την είδος της απάντησης, ενώ τα άλλα δύο δεν περιέχουν πληροφορία για την κατηγορία του response. Στον Πίνακα 1.2 φαίνονται τα σημαντικότερα SIP responses, καθώς και η σημασία τους. Αξίζει να σημειωθεί ότι, οι εκάστοτε SIP υλοποιήσεις δεν είναι απαραίτητο να υποστηρίζουν όλα τα SIP responses. Ωστόσο, κάθε εφαρμογή πρέπει να είναι σε θέση να αναγνωρίζει τουλάχιστον την κατηγορία που ανήκει το SIP response Το πρότυπο H.323 Το πρότυπο H.323 αναπτύχθηκε από τον οργανισμό ITU-T και εμπλέκει αρκετές διαφορετικές οντότητες και πρωτόκολλα, τα οποία συνεργάζονται για την παροχή πολυμεσικών επικοινωνιών, όπως το VoIP, μέσω τοπικών δικτύων (LANs). Η χρήση του προτύπου H.323 ενδείκνυται στην περίπτωση που το τοπικό δίκτυο πάνω από το οποίο θα εκτελείται μια τέτοια εφαρμογή, δεν παρέχει Quality of Service (QoS). Οι τέσσερις βασικές οντότητες που συμμετέχουν στο πρότυπο H.323 είναι οι εξής: Terminals, Gateways, Gatekeepers και Multiport Control Units (MCUs). Στο Σχήμα 1.1 φαίνεται ένα διάγραμμα της αρχιτεκτονικής ενός VoIP δικτύου, χρησιμοποιώντας τις παραπάνω οντότητες