INTRODUZIONE ALLE TECNOLOGIE VOIP - FRANCO CALLEGATI E ALDO CAMPI D.E.I.S. UNIVERSITÀ DI BOLOGNA

Introduzione alle tecnologie
           VoIP

    Franco Callegati e Aldo Campi

       D.E.I.S. Università di Bologna
     II Facoltà di Ingegneria (Cesena)
         http://deisnet.deis.unibo.it

Integrazione voce/dati su rete IP: oggi

• Dell’infrastruttura
   Maggiore economia di scala
   Unitarietà di gestione
   Vulnerabilità
• Dei servizi
   L’utente “vede” un accesso alla rete unificato
   – Servizi diversi = diversi requisiti
   – La rete deve disporre di meccanismi per
      • Distribuire le risorse in conformità alle necessità del servizio
      • Gestione le richieste dei vari servizi senza farle interferire
   Questi problemi sono complessi e sulla rete Internet
    sono ancora parzialmente irrisolti
                                                                    2

Integrazione su rete IP: domani

• IP Multimedia Subsystem:
  –   Integrazione fra reti IP e reti wireless
  –   Sistema di segnalazione unificato
  –   Roaming dei servizi da rete a rete
  –   Gestione della qualità del servizio in funzione del tipo
      di accesso
• Parte integrante di UMTS
• Alcune sperimentazioni già avviate

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Next Generation Network standards

• 3GPP ha sviluppato un sistema completo per le reti
  mobili (IMS)
   – Architettura SIP completa
   – Sviluppata sulle specifiche delle estensioni dei protocolli IETF
   – 3GPP non indica come estendere l’architettura IMS

• Le reti fisse NGN sono il risultato del lavoro di differenti
  gruppi di ricerca
   – ETSI, ITU-T hanno costruito l’architettura di base, IETF ha fornito
     i protocolli
   – ATIS ha collaborato con ETSI TISPAN per l’architettura IMS su
     rete fissa
   – MSF ha definito l’implementazione fisica vs. logica
   – DSL Forum ha considerato gli aspetti di economici e di mercato

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IMS - IP Multimedia Subsystem

• IMS provvede a creare la convergenza tra servizi e reti
• Ha lo scopo di permettere di usare qualsiasi servizio su
  qualsiasi dispositivo in ogni rete
• Disegnata per permettere veloci sviluppi dei servizi
• Providers di servizi di telefonia mobile:
   – IMS è stata creata per “qualsiasi necessità” di servizi futuri
   – I servizi sono convergenti : utenza residenziale e di affari
• Providers di servizi di telefonia fissa :
   – Tempi lunghi per rimpiazzare la tecnologia PSTN
   – Deve innovare e rigenerare I servizi di telefonia fissa
       • Aggiungere valore ai servizi esistenti
       • Raggiungere nuovi mercati attraverso la convergenza (fisso/mobile)
       • Ridurre Opex

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TISPAN

• Nata nel 2003 da SPAN e TIPHON
• TISPAN permette di utilizzare Next Generation
  Networks
• Costruita sulla tecnologia 3GPP IMS
• È una rete multi-service, multi-protocol, multi-
  access, IP based
   – sicurezza, riusabilità
• Permette ai Service Providers di offrire:
   – Servizi di comunicazione real-time e non real-time
   – Permette sia la configurazione P2P che Client-Server
• Mobilità
                                                     6

3GPP/TISPAN

• Requisiti molto stringenti nel border control:
   – Sicurezza
   – Autenticazione
   – Policing
• WiFi , WiMAX hanno bisogno dello stesso tipo di
  controllo

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Architetture convergenti

• 3GPP ha definito IP Multimedia Subsystem (IMS)
  – http://www.3gpp.org/
• ETSI TISPAN sta definendo l’accesso alla rete
  IMS per la telefonia fissa
  – http://www.etsi.org/

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Applicazione del VoIP

• IP trunking
   – Tecnologia IP (commutazione di pacchetto) su collegamenti della
     rete di trasporto
   – Non ha impatto sulla rete di accesso e sull’utente
       • I terminali sono quelli tradizionali
   – Può avere impatto sulla tariffazione
• Telefonia IP
   – Tecnologia IP per la fornitura del servizio di telefonia
   – Ha impatto sulla rete di accesso e sulla rete di trasporto
       • Terminali di utente IP
       • Segnalazione IP
       • Gestione su rete IP

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Implicazioni del VoiP

• Reti pubbliche
   – Rete di accesso - utente finale
       • Si usa il collegamento dati (tipicamente ADSL) per avere accesso a
         servizi di telefonia (Skype, …)
   – Operatore
       • IP trunking sulla rete di trasporto degli operatori
• Reti private
   – Integrazione del trasporto delle informazioni fra sedi: IP trunkong
   – Integrazione dell’accesso ai servizi di comunicazione del
     personale
       • Una presa non due sulla scrivania
   – Sostituzione dei centralini tradizionali con centralini “software”
   – Integrazione dei servizi vocali con servizi dati
       • Messaggistica istantanea
       • Servizi di presenza
       • …

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Tecnologie VoIP

•   Tecnologie VoIP più attuali
    – Standard IETF basato su protocollo SIP
       •   Strutturata gerarchica a domini
       •   Ogni organizzazione controlla il proprio dominio telefonico
       •   I domini telefonici comunicano tramite rete IP
    – Skype basato su protocollo proprietario
       •   Tecnologia P2P
       •   Tutti gli utenti appartengono alla stesse rete
       •   Non gerarchico, poco adatto per essere integrato in una
           struttura aziendale

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Requisiti di una rete VoIP
•   Servizi di base
     – Gestione di una o più linee telefoniche e interni (telefoni)
     – Gestione di servizi più o meno evoluti (risponditore di cortesia, Call Center,
       caselle vocali, etc.)
•   Qualità, Stabilità, Affidabilità
     – Paragonabili alle linee telefoniche tradizionali
•   Sicurezza
     – Confidenzialità: il contenuto della comunicazione deve essere accessibile solo
       agli interessati.
     – Disponibilità: il servizio deve essere sempre accessibile e disponibile agli utenti
       autenticati.
     – Autenticazione: autenticazione per terminali, server e messaggi.
     – Integrità: le comunicazioni devono essere autenticate e verificabili e non devono
       essere corrotte o modificate.
     – Non ripudio: dell’origine e della destinazione, per chiamate voce e messaggi.
     – Qualità del servizio QoS: garantire il rispetto del livello del servizio.
     – SPAM telefonico

                   Il telefono è un servizio primario

                                                                                    12

Sicurezza
•   Il VoIP è una tecnologia relativamente giovane e complessa che,
    almeno fino a poco tempo fa, veniva sviluppata senza prestare
    troppa attenzione alla sicurezza.
     – “SIP is not an easy protocol to secure” RFC 3261.
•   La telefonia su IP è intrinsecamente meno sicura della telefonia
    tradizionale
     – Collegamento alla rete dati (bug, virus,worm, trojan, ecc.)
     – Riduzione della sicurezza degli apparati di rete (NAT,Firewall)
     – Un guasto o un attacco riuscito alla rete dati può bloccare anche il
       servizio voce e viceversa
     – Attacchi interni : monitoring e intrusioni nelle chiamate
•   Servizi telefonici essenziali, "a meno che non siano pianificati,
    installati e mantenuti con molta cura, saranno più a rischio di
    intrusioni se basati su VoIP" [NIST - National Institute of Standards
    and Technology].
•   Soluzioni
     – Criptare il flusso di segnalazione e il flusso voce (SIPS,SRTP)
     – Gestire separatamente la rete dati per i servizi dalla rete dati telefonica
       (VLAN)

                                                                            13

I codec VoIP
•   Prima di inviare la voce sulla   Codec           Kbit/s        MOS
    rete dati, il telefono ip
    comprime il segnale vocale       G.711           80            4.3-4.7
    secondo alcuni algoritmi         G.726-32        48            3.9-4.2
•   A seconda del codec utilizzato   G.729A          24            3.6-3.7
    avremo un utilizzo più o meno
    dispendioso di banda internet    G.723.1         17            3.4-3.5
•   Ovviamente più un codec è        GSM             27            3.7-3.9
    aggressivo in termini di
    compressione minore è la         iLBC            27            3.7-4.1
    qualità della telefonata
                                     Percezione               Valore
•   Ci sono due sistemi per
    misurare empiricamente la        Eccellente               5
    qualità di una telefonata. La    Buono                    4
    misura è espressa con un
    indice che va da 1 a 5           Sufficiente              3
    – MOS = Mean Opinion Score       Insufficiente            2
    – PESQ = Perceptual Evaluation
      of Speech Quality              Scarso                   1

                                                                       14

Architettura (1/4)

• Connesione ad una rete
  VoIP esistente (skype)
   – Nessuna infrastruttura da                           PSTN
     implementare
   – Solo telefoni VoIP                       proxy

   – Ogni utente è visto come            internet
                                 proxy
     un terminale della rete                          proxy

   – Sicurezza???
                                           proxy
   – Bassa usabilità
• Collegamento alla rete
  telefonica commutata
   – non gestito dall’utente
     (in/out)

                                                                15

Architettura (2/4)

• VoIP solo su connettività
   – Aggiunta all’architettura
     esistente
   – Nessun telefono IP
                                         internet
   – Nessun servizio VoIP
     avanzato
   – Non scalabile
   – Buona sicurezza                                              PSTN

   – Discreta usabilità     altra sede        Gateway SIP   PBX

                                                                   16

Architettura (3/4)

• Rete VoIP standard
   – Modifica architettura
     esistente
       • Collegamento a centralino
         esistente                              internet       PSTN
       • Aggiunta della
                                                       proxy
         numerazione VoIP
       • Due reti distinte (IP,PSTN)
   – Sia telefoni IP che
                                   altra sede
     tradizionali                                                     PSTN

                                                  Proxy SIP
   – Dominio gestito                                           PBX

     internamente
   – Servizi VoIP avanzati
   – Sicurezza?
   – Usabilità?

                                                                        17

Architettura (4/4)

• Rete completamente
  VoIP
  – Creazione della rete
     • Nessun centralino
                                         internet       PSTN
       tradizionale
     • Solo numerazione VoIP                    proxy

  – Solo telefoni IP
  – Dominio gestito
    internamente            altra sede                             PSTN
  – Servizi VoIP avanzati                  Proxy SIP SIP gateway

  – Sicurezza?

                                                                     18

Implementazione

• Stabilire la quantità e la qualità del servizio
• Analisi della rete dati
   – Topologia
   – Apparati (Router, firewall, NAT)
   – Stabilire i parametri di Sicurezza
• Scelta degli apparati VoIP
   – Client (telefoni IP)
   – Server (proxy, PBX)
• Integrazione con la rete pubblica
   – Sottoscrizione di un contratto per le chiamate fuori sede
   – Acquisto della numerazione entrante
       • Direct Inward Dialing Number (DID)

                                                                 19

Apparati
•   Client VoIP
    –   Telefono IP con flussi dati non criptati (50-150 €)
    –   Telefono IP con flussi dati criptati (200-500 €)
    –   Software (free – 50 €)
    –   Telefoni USB (30 €)
•   Proxy e PBX
    – Hardware dedicato
         • Costoso
         • Poco scalabile
         • Molto affidabile
    – PC + Software
         • Open source
             – Nessun costo di licenza
             – Bassa sicurezza
             – Stabile, flessibile ed espandibile
             – Costi di gestione/manutenzione
         • Proprietario
             – Costi di licenza
             – Buona sicurezza
             – Stabile ma poco flessibile ed espandibile

                                                              20

Open Source SIP (proxy e PBX)
•   Asterisk                            •   SIP Foundry
    – Fondato e supportato da           •   SIPx projects
      Digium
          • IP/PSTN gateway
                                            – SIP IP PBX, call router,
                                              voicemail, …
    – Soluzione a Single-box per
      strutture di piccole dimensioni       – Fondato e supportato da
    – Molti protocolli con supporti           Pingtel
      non completi                              • IP PBX vendor
          • SIP support                     – Soluzioni modulari
    – GPL                                   – LGPL
•   SER                                 •   reSIProcate
    – Fondato e supportato da
      iptel.org                             – Piccolo e leggero, RFC-
                                              compliant stack in C++
    – SIP Proxy
    – Per grandi volumi di traffico         – Gruppo di codifica molto
    – Supporto per il NAT                     esteso
    – Programmabile ed espandibile          – Targeted : product developers
                                              & vendors
    – GPL
                                            – Licenza BSD-like

                                                                     21

Il caso dell’Università di Bologna

• Rete telefonica e rete dati distribuite su tutta la
  Provincia di Bologna e la Romagna
   – Più di 50 sedi con centralini telefonici
   – Circa 1000 numeri telefonici
• Evoluzione
   – Ieri: rete telefonica tradizionale
      • Centralini + CDN per l’interconnessione + linee di accesso
        alla PSTN
   – Oggi: rete ibrida
      • Centralini + IP trunking + linee di accesso alla PSTN
   – Domani?
      • Scelte opportunistiche in funzione della convenienza
        economica e gestionale

                                                                22

Rete universitaria

• Dipartimento DEIS nella
  Facoltà di Ingegneria di
  Bologna
• LAN del dipartimento di
  Bologna connessa in VPN
  (Virtual Private Network)
  con la LAN della sede
  distaccata di Cesena

                              23

Sperimentazione a Ingegneria II
•   Obiettivo
     –   Comunicazione studenti docenti a costo zero
     –   Sperimentazione servizi evoluti di telefonia
     –   Indagine sulla convergenza di reti telefoniche e dati
     –   Supporto a progetti di ricerca
•   Sperimentare servizi VoIP su piattaforma Open-Source
     – Segnalazione
          • Proxy con protocollo SIP (SIP Express Router)
     – Commutazione
          • PBX software (Asterisk)
     – Terminali
          • Software su pc (Xlite, Sjphone, Kphone)
          • Telefono IP con interfaccia Ethernet e supporto SIP (~ 50€)
     – Hardware
          • pc standard (Dell Poweredge 1600)
     – Interconnessione con PSTN (di ateneo)
          • Una linea entrante ed una uscente
          • Scheda TDM400 per bus PCI con interfaccia FXS e FXO (~ 200€)

                                                                           24

Implementazione

• Un proxy SIP sulla rete dati di Cesena
• PBX sulla rete telefonica universitaria
   – 1 linea di entrata/uscita

                                            25

Servizi
•   Chiamate VoIP
     – Chiamate audio e video punto-punto fra utenti del dominio VoIP
     – La rete è stata dimensionata per un volume di traffico di ~100 chiamate
       contemporanee
•   Teleconferenze
     – 10 camere di conferenza
•   Servizi ausiliari
     – Segreteria telefonica
     – Voice mail
     – Messagistica istantanea
•   Integrazione con fonia di ateneo
     – È possibile effettuare chiamate:
         • Da dominio VoIP a interni di ateneo
         • Da interni di ateneo a dominio VoIP
         • Da dominio VoIP a rete PSTN
•   Integrazione radius+LDAP
     – Autenticazione utenti basata su LDAP (integrabile con DSA di ateneo)

                                                                        26

Test

• Chiamate studenti-docenti
   – Studenti connessi
       • alla rete wireless di facoltà
       • alle reti dei laboratori
       • ad Internet da casa
   – chiamano i docenti sia su dominio VoIP sia sulla numerazione di
     ateneo
• Supporto a progetti di ricerca (e-photon-one.org)
   – Comunicazione peer-to-peer
       • Elenco telefonico unico per gruppi di lavoro geograficamente ed
         amministrativamente distribuiti
   – Conference call (centro stella su Cesena)
       • Una decina di utenti
       • Londra (ADSL) - Torino - Atene - Bologna - Cesena - Barcellona
• Nat e firewall traversal
   – Trasparenza per reti IP private
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Considerazioni

• e-photon-one.org
   – 40 partner (Università e
     aziende)
   – 18 paesi
• Proxy SER + asterisk
   – freeworlddialup.com
       • 50,000 utenti in 150 paesi
   – SIP.edu (Internet2)

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