Prenos hlasu internetovým protokolom

Typické riešenie VoIP

Typický adaptér pre pripojenie analógového telefónneho prístroja k VoIP sieti

1140E VoIP Phone

Prenos hlasu internetovým protokolom (iné názvy: prenos hlasu cez internetový protokol, prenos hlasu prostredníctvom internetového protokolu, IP telefónia, VoIP telefónia; angl. voice over internet protocol, voice over IP, IP telephony, VoIP telephony; poznámka: výraz "voice over internet protocol" je myslený ako "voice" + "over" + "internet protocol", nie ako "voice over internet" + "protocol"), skr. VoIP / VOIP, je prenos hlasovej prevádzky prostredníctvom prenosu paketov pomocou protokolu IP (teda nie nevyhnutne len cez internet, ale aj cez inú sieť založenú na internetovom protokole). Prenos hlasu pomocou internetu (iné názvy: prenos hlasu cez internet/Internetom/po internete/prostredníctvom internetu, hlas cez internet/po internete, telefonovanie cez internet/prostredníctvom internetu/po internete, internetová telefónia; angl. voice over internet, internet telephony) je naproti tomu špecifická služba VoIP používajúca prenos paketov vo verejnej sieti internet .

Protokoly, ktoré sa používajú na prenos hlasových signálov cez IP sieť sa zvyknú označovať ako VoIP protokoly. Dá sa na ne pozerať ako komerčnú realizáciu experimentálneho protokolu Network Voice Protocol (1973) navrhnutého pre sieť ARPANET. Vďaka použitiu jedinej siete na prenos dát aj hlasu je možné dosiahnuť isté finančné úspory, najmä ak je k dispozícii nevyužitá sieťová kapacita, ktorá sa dá využiť pre VoIP bez pridaných nákladov. Volania VoIP – VoIP sú prevažne zdarma, zatiaľ čo volania do verejných telekomunikačných sietí (tak pevných i mobilných) bezplatné v zásade nie sú.

Funkcionalita

VoIP dokáže zabezpečiť úlohy, ktoré môžu byť omnoho zložitejšie dosiahnuteľné pri použití klasických telekomunikačných technológií:

• Prichádzajúce telefónne hovory môžu byť automaticky smerované na VoIP telefón, nezávisle od toho, kde sa nachádzate.
• Vo viacerých krajinách (USA, Spojené kráľovstvo, atď.) sú k dispozícii bezplatne použiteľné telefónne čísla pre použitie vo VoIP.
• Pracovníci call centier môžu pri použití VoIP pracovať z ľubovoľného miesta, kde je k dispozícii dostatočne stabilné internetové pripojenie.
• Mnohé VoIP balíky služieb obsahujú funkcie verejných sietí, ktoré sú bežne spoplatňované osobitne, prípadne sú miestnym operátorom osobitne spoplatňované, ako napríklad konferenčné hovory, presmerovanie hovoru, automatické opakovanie vytáčania a pod.
• VoIP telefóny dokážu spájať viacero služieb dostupných cez Internet vrátane videokonferencií, prenosu dát popri hovore, správy telefónnych a adresových zoznamov a oznamovania online dostupnosti zvolených komunikačných partnerov.

Problémy pri nasadení

Technológia VoIP má stále niekoľko nevýhod, ktoré spôsobili v mnohých presvedčenie, že nie je vhodná na široké rozšírenie. Na druhej strane, viacerí priemyselní analytici predpovedali, že v pobočkových telefónnych ústredniach prekročí počet dodaných pripojení na technológii IP počet nových klasických digitálnych portov už v roku 2005. V USA sa tak stalo v polovici roku 2006, v mnohých ďalších krajinách sa tento prelom ešte len očakáva.

Faxy

Jednou z nevýhod sú ťažkosti pri odosielaní faxových správ kvôli softvérovým a sieťovým obmedzeniam vo väčšine domácich systémov. Existuje však snaha zadefinovať alternatívne riešenie prenosu faxov cez IP, menovite protokol T.38. Iná možnosť je považovať faxový systém ako systém prenosu správ, ktorý nevyžaduje prenos dát v reálnom čase – ako napr. prenos faxu ako prílohy e-mailu, prípadne vzdialená tlač (pozri Internet Printing Protocol). Koncový systém môže uložiť kompletnú správu do vyrovnávacej pamäte pred jej zobrazením alebo vytlačením.

Pripojenie k Internetu

Ďalším nedostatkom VoIP služieb je (s výnimkou napr. vnútrofiremných sietí) ich závislosť na ďalšej samostatnej službe – internetovom pripojení. Kvalita a celková spoľahlivosť telefonického spojenia cez VoIP je celkom závislá od kvality, spoľahlivosti a rýchlosti použitého internetového pripojenia. Najmä vysoké celkové latencie v sieťach môžu viesť k výrazne zníženej kvalite hovoru a spôsobujú isté problémy, ako napr. ozveny. VoIP napriek tomu nie je vždy závislé od internetového pripojenia. Existujú technológie umožňujúce použiť VoIP aj cez bežné telefónne linky či prenajaté hlasové či dátové okruhy (napr. PCM toky – v USA linky typu T1, v Európe hierarchia E1). Je to však zriedkavý spôsob nasadenia.

Mnohí používatelia VoIP stále prevádzkujú aj tradičné analógové telefónne linky, ktoré umožňujú volať na núdzové čísla, ako aj bez problémov používať tradičné faxové prístroje.

Výpadky elektriny

Inou nevýhodou VoIP je neschopnosť uskutočňovať telefónne hovory počas výpadku napájania, tento problém však existuje aj pri mnohých analógových telefónoch (napr. prenosné DECT prístroje, prístroje s pokročilými funkciami a pod., pre ktoré nestačí napájanie z telefónnej ústredne) a dá sa vyriešiť batériovým zálohovaním. Takisto v mnohých inštaláciách existuje možnosť automatického presmerovania na iné telefónne číslo (napr. na mobilný telefón) v prípade nefunkčnosti zariadení.

Problémy s implementáciou

Vzhľadom na to, že UDP neposkytuje mechanizmus, ktorý by zabezpečil, že dátové pakety budú doručené v správnom poradí, alebo poskytol garanciu kvality služby (Quality of Service), nasadenie VoIP čelí problémom s latenciou (oneskorením) a jitterom (kolísaním oneskorenia). To je obzvlášť citeľné pri spojeniach, kde časť trasy prebieha cez satelitné spoje (kvôli dlhému času šírenia signálu). Prijímajúci uzol sa potýka so stratou, poprehadzovaním či oneskorením jednotlivých paketov, napriek čomu však musí zabezpečiť čo najlepšiu kvalitu výsledného hlasového prúdu. To sa rieši bufferovaním (prijímané pakety nejdú na výstup ihneď, ale zapisujú sa najprv do pamäte, z ktorej sa potom môžu čítať v správnom poradí), čo však ešte zvyšuje oneskorenie.

Ďalšou starosťou je smerovanie prevádzky cez firewally a preklad adries. Zariadenia nazvané Session Border Controller sa používajú popri firewalloch na zabezpečenie VoIP hovorov do a z chránenej podnikovej siete. Skype využíva proprietárny protokol umožňujúci smerovať hovory cez iné uzly v sieti Skype, čím sa prekonáva symetrický NAT a firewally. Štandardné riešenia využívajú protokoly ako STUN a ICE.

Nezáujem domácich používateľov

VoIP nevyžaduje nutne širokopásmové pripojenie do Internetu, ale toto zvyčajne umožní dosiahnuť lepšiu kvalitu služby. Veľká časť domácich používateľov je dnes pripojená cez DSL, ktoré v počiatkoch vyžadovalo tradičnú telefónnu linku. Nutnosť platiť za dve telefonické pripojenia redukovala potenciálny okruh zákazníkov z radov domácich používateľov. Aj keď už existuje ponuka internetového pripojenia cez DSL aj bez nutnosti platiť za klasickú hlasovú službu (v dôsledku tlaku protimonopolného úradu), tak medzitým ceny klasických hlasových služieb výrazne poklesli a už nie sú natoľko odlišné od cien VoIP služieb aby došlo k masívnemu príklonu jednotlivých zákazníkov k VoIP.

Spoľahlivosť a kvalita služby

Viaceré širokopásmové pripojenia majú kvalitu nižšiu než by sa žiadalo. Ak sa IP pakety strácajú alebo oneskorujú na ľubovoľnom mieste v sieti medzi koncovými uzlami, dochádza k výpadkom hlasu. Výsledná kvalita zvuku preto často skôr pripomína GSM v prostredí so slabým signálom než tradičnú okruhovo prepájanú telefónnu linku (kde je prenosová kapacita garantovaná). Tento stav je pozorovateľný najmä vo vysoko zaťažených sieťach prípadne pri veľkých vzdialenostiach a veľkých počtoch smerovačov na trase. Časom sa síce situácia vylepšuje, konečné riešenie je však ešte vzdialené.

Núdzové volania

Povaha protokolu IP prakticky znemožňuje presné geografické zameranie používateľov. Núdzové hovory preto nemôžu byť jednoducho presmerované na najbližšie operačné stredisko záchranného systému. Ak nie je volajúci schopný udať svoju adresu, nemusí byť možné nájsť ho iným spôsobom. Niektorí veľkí poskytovatelia VoIP v zahraničí však už nasadzujú riešenia, ktoré tieto funkcie umožňujú (najjednoduchšia je registrácia linky na konkrétnu adresu, ak sa neumožní mobilita pripojenia).

Iná situácia je pri podnikových pobočkových ústredniach založených na IP, tieto obyčajne nemajú nijaké problémy s implementáciou núdzových volaní.

Konkurencia mobilných telefónov

Telekomunikační operátori a zákazníci investovali obrovské množstvo finančných prostriedkov do mobilných telefónov a súvisiacich zariadení. V rozvinutých krajinách dosiahli mobilné telefóny takmer úplnú penetráciu trhu a mnoho ľudí používa namiesto pevnej linky výhradne mobily. V tejto situácii nie je zrejmé, či dôjde k nárastu dopytu po VoIP medzi spotrebiteľmi dokiaľ nebudú mať bezdrôtové dátové siete podobné pokrytie ako mobilné siete. V súčasnosti prebieha však aj vývoj technológií ako UMA, ktoré umožnia použitie "obojživelných" mobilných telefónov (telefón sa pri nájdení bezdrôtového pripojenia k Internetu prepne zo siete mobilného operátora do VoIP siete).

Bezpečnosť

Väčšina bežných spotrebiteľských riešení zatiaľ nepodporuje šifrovanie. Preto pre odpočúvanie platí to isté, čo pre iné dátové prenosy (napr. posielanie elektronickej pošty) – pre sieťové uzly na ceste paketov medzi dvomi účastníkmi je prípadné odpočúvanie triviálne. Zatiaľ málo zariadení podporuje účinné kryptovanie prevádzky, navyše aby mohlo byť použité, musia ho podporovať koncové zariadenia oboch (resp. pri konferenčných prenosoch všetkých) účastníkov komunikácie.

Pre podnikové nasadenie sa často využíva technológia Voice VPN, ktorá podobne ako pri bežných VPN sieťach aplikuje na tok (hlasových) dát šifrovanie s použitím technológie IPSec.

Zobrazenie čísla učastníka

Podpora zobrazovania čísla volajúceho účastníka (CLIP) je u rozličných poskytovateľov IP telefónie rôzna – niektorí ho podporujú úplne, iní nie, čo spôsobuje, že sa volanej strane číslo nemôže zobraziť. V niektorých prípadoch nedostatočné zabezpečenie siete poskytovateľa umožňuje podvrhnúť poskytované číslo, čo má za následok možnosť pri volaní do klasickej siete "tváriť sa" ako iný účastník.

Integrácia do celosvetového číslovacieho systému

Tradičné telefónne siete využívajú na identifikáciu účastníkov telefónne čísla podľa štandardu E.164. Používatelia VoIP sú identifikované primárne pomocou URI (napríklad v tvare sip:jozef@firma.com). Aby bolo možné smerovanie hovorov medzi klasickými a VoIP sieťami, existujú určité technológie na preklad telefónnych čísel a URI. Najrozšírenejšou technológiou je ENUM, čo je služba založená na DNS (základná služba Internetu na preklad doménových mien počítačov a IP adries). V databáze ENUM je pre telefónne číslo zapísaný jeden alebo viac kontaktov, na ktorých je účastník daného čísla dosiahnuteľný (môžu byť aj na rôznych technológiách, ako SIP, H.323, či dokonca klasický e-mail).

Prijatie

Nasadenie na spotrebiteľskom trhu

Veľký rozvoj trhu VoIP začal v roku 2004, keď boli uvedené na trh viaceré služby využívajúce širokopásmové internetové pripojenie a snažiace sa napodobniť klasickú telefónnu službu. Mnohé spoločnosti poskytujú neobmedzené volania v rámci krajiny (najmä v USA) a do vybraných zahraničných sietí v rámci pevného mesačného poplatku.

Tieto služby majú rôznu formu, ktorá môže byť viac či menej podobná klasickej forme. Niektorí poskytovatelia dokonca ponúkajú koncové zariadenia obsahujúce konektor na pripojenie bežného analógového telefónu. Často ani nepoužívajú termín "VoIP", ale napríklad "telefonovanie cez internet", aby sa viac priblížili bežnému spotrebiteľovi.

Na druhej strane stoja služby ako Skype či Gizmo Project, ktoré sú závislé na klientskom softvéri v počítači. V ich prípade je používateľ úplne nezávislý od svojho geografického umiestnenia, zastihnuteľný je na ľubovoľnom mieste, na ktorom sa k službe prihlási. Ak takáto služba poskytuje aj verejne dostupné telefónne číslo, toto ostáva rovnaké nezávisle od polohy účastníka (hoci sa môže nachádzať aj v zahraničí). Niektorí operátori oba prístupy kombinujú a okrem domáceho pripojenia umožňujú aj pripojenie z ľuboľného miesta, niekedy dokonca bez inštalovania špecifického softvéru, používajúc len aplikáciu bežiacu vo webovom prehliadači.

Najväčšou výhodou, pre ktorú niektorí zákazníci prešli k poskytovateľom IP telefónie, sú ceny. Prenos hlasu cez Internet umožňuje zlacniť predovšetkým diaľkové hovory, ktoré tak nemusia prechádzať sieťami klasických poskytovateľov. Je však potrebné poznamenať, že agresívna cenová a marketingová politika veľkých operátorov (ktorých infraštruktúra je často predimenzovaná, čo prinajmenšom mimo prevádzkovej špičky umožňuje zniesť zvýšené množstvo hovorov spôsobené znížením cien bez dodatočných nákladov) tieto rozdiely výrazne zúžila. Na Slovensku sa VoIP v spotrebiteľskom sektore príliš neujalo, sčasti aj kvôli odklonu od služieb viazaných k jednému miestu smerom k mobilnej komunikácii založenej na GSM.

Využitie u telekomunikačných operátorov

Zatiaľ čo málo kancelárskych prostredí a ešte menej domácich používateľov používa čistú VoIP infraštruktúru, v prostredí sietí telekomunikačných operátorov sa IP telefónia využíva čoraz viac v súvislosti s konvergenciou sietí. Na rozdiel od pôvodných sieťových zariadení založených na časovom multiplexe sa v súčasnosti nasadzujú ústredne a siete novej generácie (NGN) založené na prepínaní paketov, kde hlavnú úlohu hrá protokol IP.

Takéto riešenia umožňujú zjednotiť sieť pre všetky (hlasové a dátové prenosy, prípadne iné služby), čo prináša mnohé výhody. Nasadenie tejto technológie však samozrejme nie je vždy bezproblémové. Na Slovensku (pevná sieť spoločnosti Slovak Telekom) je už nasadených viacero ústrední NGN, ktoré sa použili na náhradu posledných vyradených ústrední 2. generácie (PK202).

V súčasnosti je zaujímavou technológiou IP Multimedia Subsystem (IMS), ktorá zlučuje internetové technológie s pevným aj mobilným telefónnym svetom používajúc čistú IP infraštruktúru. Systémy IMS umožňujú nasadiť operátorom rôzne služby, ktoré doteraz boli poskytované len v rámci Internetu (napr. Presence – analógia stavov v sieťach Instant Messagingu). Existujú však aj výhrady k takýmto riešeniam, ktoré im vytýkajú, že namiesto umožnenia rýchleho prístupu k Internetu poskytujúcemu širokú škálu služieb poskytuje zákazníkom iba analogické služby zo strany operátora, ktoré však sú vždy do určitej miery obmedzené a navyše je možné ich na rozdiel od internetových služieb tarifikovať nezávisle od skutočných nárokov na sieť (čo nemusí byť pre zákazníka výhodné).

Použitie v amatérskom rádiu

Rádioamatéri prijali VoIP vo svojich špecifických protokoloch a programových riešeniach, ako sú Echolink, IRLP, Dstar a EQSO. Tieto umožňujú prepojiť uzly a opakovače ich siete cez Internet. To im umožňuje urobiť ich sieť omnoho komplexnejšiu a zjednodušuje spojenia na veľké vzdialenosti.

Právne problémy

Keďže technológia VoIP je relatívne nová, ešte nie je podchytená v legislatíve v dostatočnej miere. Existujú spory o reguláciu a licencovanie služieb telekomunikačnými operátormi. Okrem toho sú problémy so zabezpečením volania na geograficky špecializované núdzové linky a mnohé iné aspekty, ktoré je potrebné doriešiť.

Medzi poskytovateľmi dátových služieb sa vedú spory o porušovaní sieťovej neutrality, čo je snaha o tarifikovanie a obmedzovanie dátových prenosov v závislosti od typu prevádzky.

Technické detaily

Dva najhlavnejšie súperiace štandardy pre VoIP sú Session Initiation Protocol (SIP), vyvinutý pod hlavičkou organizácie IETF, a štandard ITU s označením H.323. Na počiatku bol populárnejším H.323, čo je štandard vychádzajúci z telekomunikačného prostredia, v súčasnosti je už v popredí SIP, s ktorým sa ráta už aj v ústredniach typu IMS.

H.323

Štandard H.323 (rodina protokolov H.323) bol v prvej verzii uvedený medzinárodnou telekomunikačnou štandardizačnou organizáciou ITU-T v roku 1996. Označenie dodržuje konvenciu ITU-T – veľké písmeno, nasledované bodkou a číslom. Prvé písmeno označuje oblasť činnnosti, ktorej sa štandard týka (napr. G – prenosové systémy, médiá, digitálne systémy a siete, I – ISDN, V – dátové prenosy cez telefónnu sieť, H – audiovizuálne a multimediálne systémy).

Slovne je štandard (odporúčanie) H.323 nazvaný Packet-based multimedia communications systems (multimediálne komunikačné systémy na paketovom základe), teda zahŕňa multimediálne prenosy cez paketové siete bez všeobecnej garancie QoS. Prvá verzia tohto odporúčania bola zameraná predovšetkým na videokonferencie, ďalšie verzie sú už viac prispôsobené pre VoIP. Štandard H.323 patrí ku skupine odporučení H.32x, ktoré sa týkajú multimediálnej komunikácie cez rôzne druhy sietí:

• H.324 – cez klasickú telefónnu sieť s prepínaním okruhov
• H.320 – cez ISDN
• H.321 a H.310 – cez širokopásmové ISDN (B-ISDN)
• H.322 – cez LAN siete s garanciou QoS

Ako štandard vychádzajúci z telekomunikačného prostredia (na rozdiel od SIPu, ktorý bol inšpirovaný klasickým internetovým prostredím dátových prenosov) je H.323 relatívne komplikovaný a zahŕňa prevažnú väčšinu aspektov multimediálnej komunikácie (signalizácia, transport multimediálnych dát, kodeky, prenos všeobecných dát). Nezahŕňa samotnú lokálnu sieť ani transportnú vrstvu použitú na prepojenie s inými sieťami, s výnimkou rozhrania do okruhovo prepínanej telefónnej siete. Signalizácia v protokolovej rodine H.323 vychádza z telekomunikačného prostredia. Pre H.323 spojenia bod-bod zahŕňa protokoly H.225.0-RAS, H.225.0-Q.931 (oba definované v odporúčaní H.225.0) a H.245.

Kodeky

Štandard H.323 definuje aj používané kodeky (KOdér-DEKodér, teda prevodník z analógovej do digitálnej podoby a naopak, resp. prevodník rôznych formátov dát medzi sebou) pre zvuk (audio) a obraz (video). Nepoužíva sa len jeden kodek, ale môže ich byť viac a môžu sa meniť podľa potreby aj v priebehu hovoru. Štandard H.323 stanovuje minimálnu sadu kodekov, ktoré musia byť podporované každým zariadením, čím sa zaručuje, aby sa každí dvaja používatelia ľubovoľných zariadení dokázali spojiť. Dôvodom, prečo je možné použiť rôzne kodeky, sú ich rôzne vlastnosti.

Kodeky nevyužívajúce nijakú dátovú kompresiu poskytujú najlepšiu kvalitu signálu v zmysle napr. subjektívneho pocitu pri počúvaní zvuku a majú minimálne oneskorenie medzi vstupom a výstupom, za to však pri prenose zaberajú pomerne veľké prenosové pásmo. Naopak, kodeky s účinnou kompresiou môžu (čo však je subjektívny pocit) zhoršovať príjemnosť zvuku, navyše výpočet kompresie vplyvom viacerých faktorov (oneskorenie v signálovom procesore, ale najmä potreba počítať výsledky z viacerých za sebou nasledujúcich vzoriek) zanáša do prenosu oneskorenie, ktoré zhoršuje subjektívny pocit z hovoru. Ďalšou vlastnosťou, ktorá rôzne kodeky a vhodnosť ich použitia odlišuje, je citlivosť na výpadky dátových blokov (spôsobené stratou paketov v preťaženej sieti). Vzhľadom na tieto skutočnosti, umožňujú signalizačné protokoly meniť použitý kodek aj v priebehu hovoru.

SIP

Pri vzniku protokolu SIP stáli Henning Schulzrinne (Columbia University) a Mark Handley (University College London), ktorí svoju prácu začali v roku 1996. Vo forme RFC bol protokol zverejnený v roku 1999 ako RFC 2543, aktuálna verzia (2.0) je definovaná v RFC 3261.

Na rozdiel od protokolovej rodiny H.323 zastrešuje jeho vývoj a uvádzanie do praxe organizácia IETF, aj preto je celá protokolová rodina SIPu zložená z protokolov definovaných touto organizáciou. SIP nie je tak komplexným štandardom ako H.323, nešpecifikuje totiž klasické telekomunikačné služby, ale skôr len súbor primitív používaných pre uskutočňovanie komunikácie.

Inšpiráciou pre formu protokolu SIP boli protokoly HTTP (Hypertext Transfer Protocol – základ súčasného World Wide Webu) a SMTP (Simple Mail Transfer Protocol – prenos elektronickej pošty). Jeho jednoduchosť je jednou z jeho výhod. Na rozdiel od binárne kódovaného H.323 je založený na správach vo forme čistého textu a je transportne nezávislý (môže byť použitý na prakticky ľubovoľnom transportnom protokole).

SIP je primárne určený na zostavovanie a rušenie telefonických a videokonferenčných hovorov, ale dá sa použiť aj pre iné aplikácie požadujúce nadväzovanie spojenia (v angličtine sa používa výraz session, ktorý sa často prekladá ako sedenie, čo by bolo v tomto kontexte dosť mätúce, prípadne relácia) analogické k telefonickému. To by sa mohlo zdať vcelku jednoduchým, v skutočnosti to obsahuje niekoľko problémov – môže ísť napríklad o konferenčný hovor, používateľ sa nemusí nachádzať na tom istom mieste, atď.

Na podporu služieb spojenia popisuje RFC 3261 pre SIP päť aspektov správy multimediálnych spojení:

• umiestnenie používateľa (User location) – určenie, s ktorým koncovým systémom sa komunikuje.
• dostupnosť používateľa (User availability) – určenie, či sa volaný účastník chce zúčastniť komunikácie alebo nie
• možnosti používateľa (User capabilities) – určene média a jeho parametrov, ktoré budú použité pri komunikácii
• zriadenie spojenia (Session setup) – „vyzváňanie“, stanovenie parametrov spojenia na oboch jeho stranách
• správa spojenia (Session management) – zahŕňa prenos a ukončenie spojenia, zmenu parametrov spojenia a vyvolanie ďalších služieb

Pozri aj

• SIP
• IP Multimedia Subsystem
• Skype