Titel: VoIP-architectuur en structuur Auteurs: Charles Heering, Albert Molenaar Bedrijven kunnen steeds moeilijker een keuze maken tussen de verschillende soorten spraakcommunicatieapparatuur, PABX systemen of VoIP systemen omdat deze systemen steeds meer significante functieverschillen kennen. Daarnaast zijn er ook technologisch afwijkende spraakprotocollen op de markt gekomen zoals Voice over IP (VoIP). Het grootste verschil tussen VoIP en de traditionele PABX is dat VoIPsystemen gebruikmaken van datacommunicatieprotocollen. Maar ook tussen de VoIP-systemen onderling zitten significante verschillen, afhankelijk of ze voortkomen vanuit de datacommunicatie- of de klassieke telefonieomgeving. Simultaan met deze ontwikkelingen acteren de telefoniesystemen steeds meer met datacommunicatiefuncties zoals MS- Outlook en databases, waarin VoIP een steeds belangrijker rol krijgt, door de gemeenschappelijke basis: IP. Er zijn twee stromingen in deze systeem en functie ontwikkeling te onderscheiden; één vanuit de telefonie- en één vanuit de datawereld. Klassieke bedrijfstelefooncentrales die migreren naar VoIP-systemen behouden over het algemeen honderd procent van de klassieke gebruikersfunctionaliteit. De systemen houden echter vaak moeizaam rekening met integratie met het datanetwerk. Bij dit soort systemen zullen met name PABX-en onderling op basis van IP worden gekoppeld. Over verschillende locaties verspreide organisaties die reeds over een (goed) datanetwerk beschikken, kunnen hun PABX-en meestal voordeliger via datzelfde datanetwerk koppelen dan via aparte verbindingen, zelfs al moet het datanetwerk daarvoor worden opgewaardeerd. Vaak gebruiken bedrijven met dit soort systemen nog klassieke analoge of digitale telefoontoestellen. Het is echter ook mogelijk om toestelpoorten van de PABX via gateways met het IP-netwerk te koppelen, zodat die bedrijven op basis van de H.323-standaard ook gebruik kunnen maken van IPtoestellen. De voor de PABX natuurlijke netlijninterface ISDN 30 verzorgt de verbinding met het openbare telefoonnet. De systemen, die zijn ontwikkeld vanuit de datawereld bieden een goede tot volledige integratie met de datacommunicatie-infrastructuur, maar lopen vooralsnog achter met de spraakcommunicatie functionaliteit. Dit heeft mede te maken met het feit dat de datawereld vrijwel uitsluitend op open standaarden is gebaseerd. Veel van de functies die klassieke bedrijfstelefooncentrales bieden zijn echter proprietary en niet in open standaarden gedefinieerd. Inmiddels krijgen deze systemen steeds meer functionaliteit op basis van eigen protocollen, wat de verschillende systemen slecht koppelbaar of zelfs incompatibel maakt. Dit kan alleen worden opgelost door één of meer call control-applicaties in te zetten die op één of meer aan het datanetwerk gekoppelde servers draaien. De IPtoestellen worden op het datanetwerk aangesloten waarbij de call controlapplicatie alleen een rol speelt bij de opbouw en verdere controle van het gesprek. De feitelijke uitwisseling van de spraak vindt hierbij direct tussen de IP-toestellen plaats. Dit geldt alleen voor gesprekken via toestellen die Oberman Telecom Management Consultants BV, Maarn, www.otmc.nl 1
zich op hetzelfde datanetwerk bevinden. Voor verbinding met de buitenwereld moet de server via een gateway met het openbare telefoonnet worden gekoppeld. Daarbij zullen de IP-spraakpakketten moeten worden geconverteerd. Verschillen Om een keuze te kunnen maken tussen een traditionele PABX en VoIP moeten eerst de verschillen tussen de systemen uiteen worden gezet. Het grootste verschil tussen de systemen is de manier van schakelen. Traditionele PABX-en zijn circuitgeschakeld terwijl VoIP pakketgeschakeld is. Bij klassieke telefonie wordt een exclusief kanaal tussen twee eindbestemmingen geopend, dat gedurende de duur van de verbinding in stand blijft. Het kanaal loopt via de switches die tevens de controle over de verbinding hebben. De capaciteit wordt gedurende de verbinding volledig toegewezen, ongeacht of er gebruik van wordt gemaakt of niet. Bij pakketschakelingen worden informatie-eenheden geadresseerd en via niet-exclusieve paden naar de bestemming getransporteerd. Een ander verschil tussen de systemen is te vinden in de openheid van de gebruikte protocollen. Bedrijfstelefooncentrales zijn in hoge mate gebaseerd op eigen protocollen van de producent. Een belangrijke reden hiervoor is het ontbreken van open standaarden voor veel telefoniefuncties die de PABX-producenten aanbieden. De koppeling met het openbare telefoonnet geschiedt wel op basis van open standaarden zoals ITU-T, maar onderling worden PABX-en gekoppeld op basis van eigen protocollen zoals Cornet, IMP, ILP, de defacto standaard DPNSS of de open standaard Qsig. Bij klassieke telefonie wordt per verbinding een vaste bandbreedte toegekend terwijl VoIP veel efficiënter gebruikmaakt van de beschikbare bandbreedte. Keerzijde van de medaille is wel dat daardoor de voor VoIP benodigde bandbreedte niet gegarandeerd aanwezig is. Die negatieve effecten kunnen echter met behulp van buffering, queing en prioriteitsmechanismen wel worden gereduceerd. Zo krijgt spraakverkeer voorrang op dataverkeer door ze in aparte queues van de switch te plaatsen waarbij buffering voorkomt dat pakketten verloren gaan als er geen directe capaciteit beschikbaar is. Uiteindelijk leidt het mechanisme van packet switching tot drie problemen die de spraakkwaliteit aan kunnen tasten, namelijk vertraging (delay), variatie in de vertraging (jitter) en verlies van spraakpakketten (packet loss). In de praktijk blijkt dat VoIP toch nog zo n 24 tot 32 Kbp/s in beslag neemt per gesprek. Spraakverbindingen worden in de klassieke PABX zelden gecomprimeerd, uitgezonderd speciale dwarsverbindingen tussen dezelfde PABX-systemen. VoIP maakt bij de conversie van spraak naar IP-pakketten vrijwel altijd gebruik van compressietechnieken. Zolang er niet meerdere (de)compressieslagen achter elkaar plaatsvinden heeft dit weinig invloed op de spraakkwaliteit. Die meerdere compressieslagen zijn wel eens nodig wanneer er verschillende overgangen van IP naar klassieke telefonieplatforms plaatsvinden. Al dan niet met tussenschakeling van verschillende openbare netten. Oberman Telecom Management Consultants BV, Maarn, www.otmc.nl 2
Bij klassieke telefonie lopen de communicatiepaden tussen de eindbestemmingen via PABX-en en openbare switches, die tevens de controle over de verbinding uitvoeren. Bij VoIP zet de call controlapplicatie een communicatiepad op, waarna de feitelijke communicatie direct tussen de eindpunten plaatsvindt. Bij de klassieke telefonie is de gesprekskwaliteit constant, doordat er continu een vaste bandbreedte ter beschikking staat. Bij VoIP kan de gesprekskwaliteit gedurende de verbinding veranderen door variërende netwerkbelasting en gewijzigde routering. Ook hier veranderen delay en jitter. Koppeling van PABXen met data-applicaties wordt doorgaans gerealiseerd met CSTA-interfaces. Men spreekt ook vaak van Computer Telefoon Integratie (CTI). VoIP is een applicatie die net zoals elke andere dataapplicatie via IP communiceert, waardoor de geïntegreerde spraak/dataapplicatie makkelijker is te realiseren. Openbare telefooncentrales en PABX-en zijn gebaseerd op dezelfde technologieën en gestandaardiseerde koppelvlakken, waardoor koppeling tussen beide relatief eenvoudig is. Koppeling van een PABX met het internet moeten via een gateway verlopen. VoIP call control-applicaties integreren van nature met internet. Koppeling met het openbare telefoonnet of een PABX moeten via een gateway verlopen. Klassieke telefonie richt zich alleen op spraakverbindingen. Natuurlijk bestaat er ook fax- en modemverkeer, maar dit is eigenlijk vreemd gebruik van het medium. Video langs deze weg is nauwelijks van de grond gekomen. VoIP maakt gebruik van de H.323 standaard, die veel verder gaat dan spraak alleen. Het is een volledige multimediastandaard. TK=????? Voor wie een nieuw telefoniesysteem koopt, zou de toegepaste technologie ondergeschikt moeten zijn aan de functionaliteit. Het gaat daarbij niet om meer, maar om betere functionaliteit, gericht op bereikbaarheid, communicatief functioneren en gebruiksgemak. Daarbij is een verschuiving gaande van individuele toepassingen naar werkplekoverschrijdende toepassingen. Telecommanagers zoeken naar organisatieonafhankelijke functionaliteit, zodat toekomstige wijzigingen van de organisatie kunnen worden meegenomen in de communicatieinfrastructuur. De doorbraak van VoIP hangt echter van een aantal punten af: Komt er een landelijk en internationaal IP netwerk dat goedkoper spraak biedt dan de diensten van het huidige telefoonnetwerk. Zijn er functionele voordelen te vinden ten opzichte van de huidige spraakcommunicatienetten. Zijn er kostenvoordelen op de interne netwerken te behalen zoals minder bekabeling of eenvoudiger beheer. Telefoniesystemen zijn zowel in de VoIP-omgeving als in de PABXomgeving op te delen in toestellen, systemen en netlijnen en trunks. Oberman Telecom Management Consultants BV, Maarn, www.otmc.nl 3
Toestellen De functionele voordelen van VoIP-toestellen ten opzichte van de klassieke systemen komen deels voort uit de techniek. Een VoIP-toestel met een vaste IP- of onderliggend Mac-adres houdt bij verhuizing hetzelfde nummer. Dat is nu bij een klassiek telefoontoestel niet zo. In de huidige omgevingen wordt het telefoonnummer bepaald door de systeempoort waar het toestel op wordt aangesloten. Beheersmatig is dat onhandig, omdat verhuizing van een gebruiker leidt tot koppeling met een andere systeempoort en dus tot beheeracties zoals het verplaatsen van kruisdraden of het softwarematig verhuizen via het beheersysteem. In de PABX-omgeving veroorzaken verhuizingen van toestellen softwareof hardwareveranderingen. Dit geldt met name wanneer het gaat om verandering van analoog naar digitale toestellen, maar in diverse omgevingen geldt dat ook bij verhuizing van een digitale aansluiting. De nieuwe walloutlet moet tenslotte worden geactiveerd. In de VoIP-omgeving zal bij de meeste systemen hier een significante vereenvoudiging zijn. Wanneer in de VoIP omgeving het Mac adres, het harde adres dat in een toestel is gebakken, wordt gebruikt, dan betekent dat wanneer dat toestel in het systeem bekend is, deze op elke actieve poort is aan te sluiten. In de PABX-omgeving is de adressering van de poort in de PABX van belang voor het nummer, in de meeste VoIP-omgevingen is het Mac adres van het toestel maatgevend. Dit betekent, nog los van de mogelijkheid van web based toewijzen van functionaliteit aan het toestel, enerzijds een forse kostenbesparing op beheer en anderzijds een meer toegesneden functionaliteit voor de eigen werkomgeving. Voorts is de in de PABXomgeving gebruikelijke vertraging tussen verzoek en realisatie van wijzigingen niet meer relevant. De gebruiker heeft dat zelf in de hand en op de wijze zoals hij dat wil. Omdat het IP-protocol voor data en spraak gelijk is, is er een integratieslag mogelijk op bekabelingniveau. De meeste VoIP-toestellen hebben intern namelijk een hubfunctie in zich. Dat betekent dat de PC via de hub in het toestel wordt verbonden met de datacommunicatieinfrastructuur. Dit bespaart op bekabeling in nieuwbouwomgevingen, voor bestaande omgevingen heeft deze mogelijkheid niet direct nut. Systeem De laatste jaren zijn er diverse PABX-omgevingen omgezet naar VoIPomgevingen. Het ging dan om een vrijwel gehele op het IP-protocol gebaseerde omzetting van de PABX-spraakfunctionaliteit. Daarnaast zijn er ook systemen die vanuit een andere platformhoek komen en spraakfuncties aan hun datacomfunctie toevoegen. Het gaat dan om systemen die de gebruikelijke dataleveranciers voor spraakcommunicatie in de markt zetten, zoals 3COM en Cisco. Deze systemen hebben meestal een beperkte maar wel sterk groeiende verzameling van spraakfuncties. Vergelijk met wat die systemen functioneel gezien niet leveren, is Oberman Telecom Management Consultants BV, Maarn, www.otmc.nl 4
essentieel. Gebruikers willen er niet vaak in functionaliteit op achteruit gaan. Trunk en netlijnzijde Veel organisaties die gebruik maken van verschillende locaties hebben een efficiënt en goedlopend extern datacomnetwerk, dat of gebaseerd is op eigen middelen, of gebaseerd is op de gebruikelijk openbare of besloten netwerken van netwerkproviders zoals KPN en Versatel. In de praktijk blijkt dat interactie van het VoIP-verkeer aan de trunkzijde met die van het al aanwezige datacomverkeer financieel rendement kan hebben. Datzelfde zal op enige termijn gelden voor de netlijnzijde van deze systemen. Tenslotte zijn er nu al organisaties die meer datacomverkeer aan de netlijnzijde produceren dan met de digitale spraak. In dat licht zal een externe infrastructuur moeten worden beschouwd. VoIP en de openbare infrastructuur. Tot nu toe werd doorgaans gesproken over VoIP in en binnen de eigen omgeving. Nederland staat echter aan de vooravond van IP-brede nationale infrastructuren. Voor de datacomomgevingen zijn er al gemeenschappelijke infrastructuren beschikbaar via diverse WAN s en het is te verwachten dat VoIP een zelfde soort infrastructuur krijgt. Met Call manager systemen kan in de gemeenschappelijke infrastructuur, onder voorwaarden, een nationale spraakdienst worden geboden. Dat dit weer leidt tot een integratie van externe en interne infrastructuren is evident. Die integratievorm was met de regelgeving over het vrijkomen van de Pabx markt (1 januari 1989) afgeschaft Toen ging het nog voornamelijk om de analoge PABX-omgeving en het analoge telefoonnet waar gedeeltelijk gelijksoortige systemen waren gebruikt. In de jaren daarna is de PABX de kant op gegaan van de digitale, systeemeigen oplossingen. Inmiddels is er dus IP-verkeer voor de datacom en de interne spraakomgeving en staat het IP-verkeer voor spraak en data op de hoek al gereed. De keuze voor IP-verkeer voor spraak is een logische stap, die ook mogelijk geworden is doordat de datacom-infrastructuren steeds beter zijn geworden. Het gaat dan niet alleen om capaciteit voor het transport, maar juist om performancekarakteristieken zoals: tijdvertraging (delay); variatie in de tijdvertraging (jitter); packet loss; prioriteitsstelling in het aanbod van verkeer. Van belang bij de keuze van een nationaal breed net in het licht van datacommunicatie en spraakcommunicatie zijn onder andere de parameters voor de tijdsvertraging. In de praktijk blijkt dat die fors kunnen verschillen. Een hoge tijdvertraging heeft tot gevolg dat het netwerk alleen voor datacom kan worden gebruikt en dus niet voor VoIP. Daarnaast is het verstandig op dit punt sluitende afspraken te maken met netwerkleveranciers. Wanneer hun netwerk door toename van het aantal Oberman Telecom Management Consultants BV, Maarn, www.otmc.nl 5
abonnees groter wordt, kan door toevoeging van apparatuurlagen de totale netwerkvertraging groter worden. Bij bepaalde grenzen kan de tijdvertraging zo groot worden dat het de kwaliteit van de spraakverbinding aantast. Aan het gebruik van pakketgeschakelde netwerken voor spraak zitten nog meer problemen vast. Veel dataverkeer tussen systemen stelt geen realtime eisen aan het netwerk. Zelfs voor interactieve toepassingen zijn vertragingen tot 1 à 2 seconden nog acceptabel. Bovendien stellen de systemen geen eisen aan de variatie in deze vertragingstijden. Spraak en video stellen echter wel hoge eisen op dit gebied. De ITU-G.114 standaard stelt dat een maximale vertraging van 150 milliseconde acceptabel is voor de meeste spraakapplicaties, of 400 milliseconde voor bepaalde applicaties zoals satellietverbindingen. Daarbij moet de variatie in de vertraging minimaal zijn. Dit is haast nog een kritischere parameter dan de vertraging zelf. Een pakketgeschakeld netwerk biedt niet zonder meer garanties dat vertragingen een grens niet overschrijden. De vertraging hangt immers af van de drukte op het netwerk. Op netwerken met gemengd verkeer, dus zowel data als spraak, zal spraak dus voorrang moeten krijgen op data. Bovendien zal een verbinding alleen tot stand mogen worden gebracht, als er voldoende capaciteit direct op het netwerk beschikbaar is. Deze Quality of Service (QoS) is een essentiële functie voor de afwikkeling van spraakverkeer. Binnen IP zijn dergelijke mechanismen gedefinieerd. VoIP maakt gebruik van het Real Time Protocol (RTP). Het is dus van belang dat het datanetwerk de juiste protocollen ondersteunt als VoIP wordt toegepast. Eind tot eind vertraging De kwaliteit van spraakverbindingen is niet alleen afhankelijk van de tijdvertraging van het VoIP-netwerk, maar van de totale eind tot eind vertraging en de vervorming die conversieslagen aanbrengen. Voor de conversieslagen en tijdvertraging moet worden gedacht aan gekoppelde netwerken waarbij compressie wordt ingezet zoals bij DECT en GSM. Een seriële koppeling van de verschillende netten kwam 10 jaar geleden geheel niet ter sprake, inmiddels echter ruimschoots. VoIP en netwerkdragers De ontwikkeling van breedbandnetwerken staat los van het feit of IP het toekomstige protocol is. Het netwerk draagt een protocol, of dit nu IP is of iets anders. Aan de andere kant gebruikt VoIP een netwerk, of dit nu een analoge netlijn, ISDN, ADSL, draadloos, mobiel of iets anders is. Het is zelfs zeker dat VoIP van verschillende netwerken gebruik zal maken en het is ook niet uitgesloten dat daarvoor verschillende protocollen worden gebruikt. Voor de toekomst van de netwerken geldt: any service, any transport, any infrastructure. Kernachtig samengevat komt het er op neer dat: Het openbare telefoonnetwerk in het IP-netwerk verdwijnt. Oberman Telecom Management Consultants BV, Maarn, www.otmc.nl 6
De PABX in de server op het netwerk verdwijnt op basis van open standaarden, waardoor integratie met data-applicaties aanzienlijk wordt vereenvoudigd en de noodzaak van CTI-koppelingen vervalt. Vele dragers als infrastructuur worden gebruikt, zoals ATM, ISDN en GSM. IP het leidende protocol is. Wireless IP storingsgevoelig blijft en beperkte communicatiecapaciteit heeft voor een aantal andere oplossingen. Het IP-telefoontoestel meer wordt gebruikt naast de PC als telefoontoestel met op termijn een draadloze variant hiervan. Bekabeling De kosten van een VoIP-implementatie kunnen alleen met de klassieke PABX worden vergeleken als met een aantal factoren rekening wordt gehouden. Zo is de financiële analyse afhankelijk van het feit of de communicatie-infrastructuur in een nieuwbouwomgeving of een bestaande omgeving wordt geïmplementeerd. De meeste VoIP-toestellen hebben intern een hub/switch-functie. Dat betekent dat de PC via het IP-toestel wordt verbonden met de datacommunicatie-infrastructuur. Dit bespaart in nieuwbouwomgevingen aanzienlijk op bekabeling en aansluitpunten. Omdat die infrastructuur in bestaande omgevingen al aanwezig is, levert dit geen besparing op. Daar is vaak nog uitgegaan van 3 tot 4 aansluitingen per werkplek. In de VoIP-omgevingen zijn 2 aansluitingen per werkplek voldoende. Hierbij is ook rekening gehouden met het zomer en winter syndroom, dat wil zeggen; in de zomer aan de binnenkant willen zitten en in de winter liever bij het raam. Niet elke datacommunicatie-infrastructuur is geschikt voor VoIP, door de mogelijkheid open te houden in de ontwikkeling van de infrastructuur maakt de overgang in de soms nabije toekomst makkelijker. Conclusie De overgang naar VoIP is in gang gezet. Vooral voor die organisaties die over verschillende locaties verdeeld die een goed datanetwerk ter beschikking hebben, schakelen over naar IP systemen. Voor die bedrijven is het spraakvolume vaak een (klein) deel van het gebruikte datacommunicatievolume. De inzet van additionele servers aan de datacom infrastructuur voor de spraakapplicatie is een efficiënte benadering om spraak als applicatie op de datacom omgeving beschikbaar te maken, zaak is wel te letten op de dimensionering van het netwerk en de voor de spraakapplicatie benodigde toestellen en additionele voorzieningen. Daarnaast is er ook aandacht nodig voor enige compatibiliteit met het verleden. Afhankelijk van de situatie is er een kosten/baten gunstige case te maken. Voor nieuwbouw zal de gevolgen (vereenvoudiging) van de bekabeling daar in meegenomen moeten worden. Oberman Telecom Management Consultants BV, Maarn, www.otmc.nl 7