Der Markt ist reif

Voice over IP

Es hat schon seinen Reiz, über Datennetze wie das Internet zu telefonieren. Professionelle Anwender konzentrieren sich derzeit aber nicht auf die Sprachübertragung von PC zu PC via Internet. Viel mehr steht die Integration von Sprache und Daten in firmeneigenen Netzen oder Intranets im Vordergrund.

Von Klaus Eppele

Voice over IP (VoIP) ist eine Technik zur Übertragung von Sprachdaten und Signalisierungsinformationen über Datennetze unter Verwendung des Internet Protokolls (IP). Diese Technik kann man selbstverständlich dafür nutzen, um über das weltweite Internet zu telefonieren. Dazu muss man lediglich seinen PC um eine entsprechende Software wie Netmeeting von Microsoft sowie Soundkarte, Mikrofon und Lautsprecher erweitern und einen Internet-Zugang besitzen. Internet-Telefonie ist jedoch nur etwas für Enthusiasten. Da die Sprachqualität hierbei meist buchstäblich auf der Strecke bleibt, ist sie für die geschäftliche Kommunikation nicht zu gebrauchen. Professionelle VoIP-Lösungen findet man heute nur innerhalb von Firmennetzen. Hier hat es der Anwender in der Hand, die Netzkomponenten so zu konfigurieren, dass die erforderliche Dienstgüte gewährleistet werden kann. Im Internet ist das nicht so, da der Anwender hier keine Steuerungsmöglichkeiten hat. Die Sprachqualität ist deshalb in der Regel viel zu schlecht.

Sanfte Migration ist angesagt

VoIP bietet den Unternehmen verschiedene Ansätze zur Reduzierung der Kommunikationskosten. Wer eine VoIP-Lösung implementiert, spart nicht nur bei den Telefongebühren. Viel drastischer sind oft die Einsparungen, die sich ergeben,

• weil nur noch eine gemeinsame Verkabelung für Daten und Sprache notwendig ist. Mit einer durchgängigen VoIP-Lösung muss man nicht mehr zwei unterschiedliche Kabelsysteme durch das gesamte Unternehmen ziehen. Es reicht zum Beispiel eine Kat.5-Verkabelung für Ethernet, um gleichsam die Menschen per Sprache und die Rechner per Daten miteinander zu verbinden.
• weil kostengünstigere Standard-Hardware beschafft werden kann. Anstatt teuerer, komplexer und proprietärer Telefonanlagen mit Knebel-Wartungs-Verträgen für mehrere Jahre und teueren System-Telefonapparaten kann man sich für eine Soft-PBX (Private Branch Exchange), also eine Nebenstellenanlage, die beispielsweise auf einem NT-Server implementiert ist, und Softphones als Ergänzung bestehender PCs entscheiden. Soft-PBX-Systeme sind etwa 25 Prozent günstiger als traditionelle Telefonanlagen.
• weil nur noch eine Infrastruktur und nur noch das eine, universelle IP-Protokoll gewartet und in Betrieb gehalten werden muss. Gerade in großen Unternehmen, in denen es noch unterschiedliche Support-Mannschaften für den Voice- und den IT-Bereich gibt, kann dies zu enormen Kosteneinsparungen führen.
• weil man mit VoIP effiziente Call-Center und intelligente CTI-Lösungen (Computer Telefon Integration) realisieren kann, die eine bessere Kundenbetreuung ohne höheren Personalbedarf sowie ein „Unified Messaging“ ohne Medienbrüche ermöglichen.

Bild 1: Mit einem VoIP-Gateway kann man sowohl die traditionelle Telefonanlage als auch die VoIP-Inseln mit dem öffentlichen Telefonnetz verbinden (Quelle: innovaphone)

Wie funktioniert´s?

Alle Voice-over-IP-Lösungen funktionieren grundsätzlich nach dem folgenden Schema: Die Sprache wird digitalisiert und per Hardware oder per Software komprimiert. Die komprimierte Sprache wird dann in Datenpakete verpackt, die mittels des Internet Protokolls übertragen werden. Damit diese Datenpakete beim richtigen Empfänger ankommen, müssen die Rufnummern in IP-Adressen umgesetzt und als Zielinformation in das IP-Paket eingefügt werden. Anhand dieser IP-Adressen können die Router und Switches, die die verschiedenen Netzwerke miteinander verbinden, die IP-Pakete bis zum Empfänger routen. Dort werden die Sprachinformationen wieder entnommen, dekomprimiert und mittels einer geeigneten Hardware wieder hörbar gemacht.

So einfach das auch klingen mag: Es gibt dabei das grundsätzliche Problem, dass Sprache ein isochroner Dienst ist, der nur geringe Verzögerungen und Laufzeitschwankungen bei der Übertragung toleriert. IP ist dagegen ein verbindungsloser Dienst: Während bei der klassischen Telefonie für je zwei Gesprächspartner exklusiv eine dedizierte Leitung geschaltet wird, werden bei IP die zu übertragenden Informationen in mehrere Datenpakete eingepackt, die einzeln auf die Reise zum Empfänger geschickt werden. Bei der Übertragung der IP-Pakete kann es nun vorkommen, dass die einzelnen Datenpakete in einem vermaschten Netzwerk, wie dem Internet, auf unterschiedlichen Routen zum Ziel geleitet werden. Die Sprach-Pakete können deshalb mit unterschiedlich langen Laufzeiten und in der falschen Reihenfolge beim Empfänger eintreffen. Da der Empfänger die eingehenden Pakete sammeln und wieder in die richtige Reihenfolge bringen muss, kann deshalb die Rekonstruktion der Sprachdaten immer erst mit einer gewissen Verzögerung erfolgen. Im weltweiten Internet kommt es zu so langen Verzögerungszeiten, dass eine vernünftige Unterhaltung nur noch schwer möglich ist und sich die Gesprächspartner ständig ins Wort fallen.

Außerdem können, bedingt durch Übertragungsstörungen oder Router-Überlastungen, einzelne Datenpakete auf dem Weg durch das Netzwerk verloren gehen. Bei einer reinen Datenübertragung ist das nicht weiter schlimm, da höhere Protokolle wie TCP (Transport Control Protocol) automatisch für die Wiederholung verlorener Datenpakete sorgen. Dieses Verfahren ist jedoch für die Sprachübertragung ohne sinnvolle Relevanz, da zu spät angelieferte Sprachfragmente nicht mehr gebraucht werden. Alle Sprachpakete müssen innerhalb eines bestimmten zeitlichen Rahmens beim Empfänger ankommen, damit der Algorithmus, der die Datenpakete in analoge Sprachsignale umwandelt, richtig arbeiten kann. Zum Glück ist das menschliche Ohr ziemlich tolerant. Messungen haben ergeben, dass eine Paketverlustrate von bis zu fünf Prozent und eine maximale Verzögerung (delay) durch die Datenübertragung von bis zu 200 Millisekunden nicht als störend empfunden werden (siehe Bild 2). Da aber heute die Ende-zu-Ende-Verzögerung im Internet abhängig vom verwendeten Codierungsverfahren, der Anzahl der zu überbrückenden Router, der Bandbreite der Verbindung, etc. in der Regel zwischen 140 und 1.720 Millisekunden liegt, ist die Telefonie über das Internet nur mit großen Qualitätseinbußen möglich (siehe Bild 3). Negativ wirkt sich auch ein Jitter (die Schwankung in den Paketlaufzeiten) größer 25 Millisekunden aus.

Bild 2: Der Standard G.114 der ITU (International Telecommunications Union) für Sprachübertragung definiert eine gewisse Zielqualität

Bild 3: Die Verzögerungen im IP-Netz bestimmen die Sprachqualität der Telefongespräche

Welche Komponenten werden benötigt?

Nicht nur die Übertragung der Sprachinformation muss geregelt sein. Wichtig ist auch die effiziente Übertragung von Steuer- und Signalisierungsinformationen, für die man sich zum Beispiel bei ISDN einen eigenen Steuerkanal, den D-Kanal, leistet. Hier hat sich das H.323-Protokoll als Quasi-Standard etabliert, um die Interoperabilität zwischen VoIP-Geräten unterschiedlicher Hersteller zu garantieren. Da das Protokoll H.323 ursprünglich jedoch nur als Standard für Videokonferenzen im LAN (Local Area Network) gedacht war, fehlen spezifische Verfahren für die Telefonie. Erst die neueren H.323-Versionen 2, 3 und 4 bzw. das von der IETF (Internet Engineering Task Force) vorgeschlagene SIP (Session Initiation Protocol) adressieren die speziellen Belange der IP-Telefonie.

H.323 definiert auch die VoIP-Systeme, wie Gatekeeper, VoIP-Gateway und die Endgeräte, die zum Aufbau einer VoIP-Lösung nötig sind. Der Gatekeeper, der auch als integrierte Funktion im VoIP-Gateway vorkommen kann, übernimmt die Zuordnung der IP-Adressen zu Telefonnummern sowie die Zugriffskontrolle und verwaltet die im LAN verfügbare Bandbreite. Das VoIP-Gateway stellt die Verbindung zwischen dem VoIP-Netz und dem öffentlichen Telefonnetz her. Es baut Gespräche auf und wieder ab, komprimiert die Sprache und packt sie in IP-Pakete ein. Durch eine entsprechende Protokollerweiterung stellt das Gateway auch die Verbindung zu einer bestehenden TK-Anlage her (siehe auch Bild 1). Als Endgeräte kommen entweder IP-Telefone mit integriertem Ethernet-Anschluss oder eine VoIP-Software auf dem PC (Soft-Client) in Betracht. IP-Telefone werden vorwiegend dort eingesetzt, wo kein PC zur Verfügung steht, oder dieser nicht immer eingeschaltet ist. Denn wer schaltet schon gerne den PC zum Telefonieren an? Zwischenzeitlich gibt es auch Adapter, die den Anschluss herkömmlicher Komforttelefone mit analoger a/b- oder ISDN-Schnittstelle an das IP-Netz erlauben.

Die Codierung der Sprache

Zur Codierung der Sprache in den IP-Telefonen bzw. im VoIP-Gateway stehen verschiedene Algorithmen zur Verfügung. Die Hersteller müssen mindestens die klassische PCM-Codierung (Pulse Code Modulation) nach dem ITU-Standard G.711 mit einer Bandbreite von 64 kbit/s unterstützen, um dem H.323-Standard zu genügen. Wer weniger als 64 kbit/s Bandbreite zur Verfügung hat oder mehrere Telefongespräche gleichzeitig übertragen will, der muss sich von der glasklaren Sprachqualität von G.711 verabschieden und einen anderen Codec-Standard (Codec = Codierer / Decodierer) einsetzen. Die folgende Tabelle zeigt die heute üblichen Codecs. Man erkennt, dass mit zunehmender Komprimierung die Verzögerung bei der Sprachübertragung steigt und damit die Sprachqualität sinkt. Die Sprachqualität wird durch den MOS (Mean Option Score) ausgedrückt, der je nach Verfahren zwischen 3,8 und 4,7 liegt. Zum Vergleich: Dem analogen Telefon wird ein MOS von 3,5 bis 4,0 bescheinigt. ISDN hat einen MOS von 5,0.

Algorithmus	Benötigte Bandbreite	Verzögerung durch den Codec	Mean Option Score (MOS)
G.711 / PCM	64 kbit/s	0,75 ms	4,7
G.728	16 kbit/s	1,25 ms	4,4
G.729	8 kbit/s	25 ms	4,3
G.723	5,3 bis 6,3 kbit/s	67,5 ms	3,8

Vorbereitungen im Netz

Komprimierte Telefongespräche stellen eigentlich keine große Herausforderung für die Übertragungsraten heutiger Firmennetze dar. Trotzdem wird nur derjenige mit VoIP glücklich werden, der sein Netzwerk optimal konfiguriert und dieses nicht schon mit Überlast fährt. Von Vorteil ist ein strukturiertes, geswitchtes Netzwerk mit einer heute durchaus üblichen Ethernet-Übertragungsrate von 100 Mbit/s. Damit die VoIP-Pakete möglichst schnell ihren Empfänger erreichen, sollte man die Priorisierungs- und Reservierungs-Mechanismen der LAN-Komponenten nutzen. Dazu gehören die Tagging- und VLAN-Definitionen IEEE 802.1p und IEEE 802.1q (IEEE = Institute for Electrical and Electronic Engineers) sowie Diffserv (Differentiated Services) zur Priorisierung, RSVP (Resource Reservation Protocol) als Bestandteil von Intserv (Integrated Services) zur Reservierung von Bandbreite, RTP (Realtime Transport Protocol) zur Synchronisation und Absicherung gegen Paketverluste sowie MPLS (Multi Protocol Label Switching).

Professionelle VoIP-Nutzung beschränkt sich aber nicht nur auf das LAN. Selbstverständlich kann man mittels VoIP auch entfernte Firmenstandorte in das zentrale Telekommunikationsnetz sowie in den internen Rufnummerplan eingliedern. Verschiedene Gebäude im Campus-Bereich lassen sich beispielsweise leicht mittels Richtfunkstrecken verbinden wie sie von der GoC AG (www.goc.de) angeboten werden. Über solche Verbindungen kann man sowohl den reinen Datenverkehr als auch die Voice-Streams ausgelagerter Telefone oder Telefonanlagen übertragen und über ein VoIP-Gateway in das zentrale IP-Netz integrieren. Weiter entfernte Standorte sind dagegen meist über digitale Festverbindungen mit der Firmenzentrale verbunden. Oft spendieren die Unternehmen eine Festverbindung für den Daten- und eine zweite für den Sprachverkehr. Mittels geeigneter VoIP-Gateways kann man in vielen Fällen eine dieser Festverbindung einsparen, indem man die Sprachkanäle komprimiert, in IP-Pakete verpackt und zusammen mit den anderen Daten über die Datenstrecke sendet. Das Karlsruher Internet-Systemhaus punkt.de (www.punkt.de) favorisiert hierzu die handlichen VoIP-Gateways des Sindelfinger Herstellers Innovaphone (www.innovaphone.de), die neben dem D-Kanal-Protokoll des Euro-ISDN auch das QSIG-Protokoll zur Anbindung klassischer Telefonanlagen unterstützen (siehe Bild 4).

Bild 4: Das handliche VoIP-Gateway IP 3000 von der Firma Innovaphone. Das System unterstützt bis zu 30 Sprachkanäle und eignet sich besonders für Standorte mit mittlerem oder größerem Telefonaufkommen

VoIP im Wandel

Voice over IP wird sich in den nächsten Jahren weiter etablieren. Denn immerhin kann man laut dem Marktforschungsinstitut Garnter Group die Kosten eines Büroarbeitsplatzes um bis zu 30 Prozent senken, wenn man statt getrennter Sprach- und Datennetze eine integrierte Sprach-Daten-Lösung verwirklicht. Als im Jahre 1995 die israelische Firma VocalTec das erste Telefongespräch von Computer zu Computer vorführte, bestand die VoIP-Vision vor allem darin, bald günstige Ferngespräche zum Ortstarif führen zu können. Dieser Aspekt ist heute angesichts der aufgrund der Marktliberalisierung rasant gefallenen Telefongebühren in den Hintergrund geraten. Andere Gesichtspunkte stehen heute im Vordergrund, wenn man sich für die Einführung einer VoIP-Lösung entscheidet, und es kann gut sein, dass sich der Fokus in den nächsten Jahren nochmals ändern wird. Damit man hierbei nicht in eine Sackgasse gerät, muss man bei der Einführung von VoIP von Anfang an darauf achten, standardkonforme Produkte einzusetzen. Nur so wird Austauschbarkeit, Erweiterbarkeit, Interoperabilität, Zukunftssicherheit und Flexibilität sichergestellt.

Professionelle VoIP-Anwendungen findet man heute nur innerhalb von Firmennetzen, die sich selbstverständlich auch über mehrere Standorte erstrecken können. Das pure Telefonieren über das öffentliche Internet macht aufgrund mangelnder Übertragungsqualität und unzureichender Datensicherheit derzeit nur wenig Sinn. Das kann sich aber schnell ändern, wenn die Internet-Infrastruktur in den nächsten Jahren mit neuen Glasfaserstrecken weiter ausgebaut wird, sich damit die Übertragungskapazität auf den Weitverkehrsstrecken um den Faktor 1.000 bis 10.000 steigert und dann Sprachdaten ohne die heute üblichen Verzögerungen und Qualitätseinbußen übertragbar sind.

Autor

Der Autor Dipl. Inform. Klaus Eppele ist Inhaber der Firma improve marketing-training-consulting, Karlsruhe, www.improve-mtc.de.

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Erschienen in CIH 04/02, Seiten 20 - 23