2002:209 SHU EXAMENSARBETE IP-TELEFONI Framtiden för telekommunikation? STEFAN HOLMGREN OLA LUNDQVIST Samhällsvetenskapliga och ekonomiska utbildningar SYSTEMVETARPROGRAMMET C-NIVÅ Institutionen för Industriell ekonomi och samhällsvetenskap Avdelningen för Systemvetenskap 2002:209 SHU ISSN: 1404 5508 ISRN: LTU - SHU - EX - - 02/209 - - SE
IP telefoni framtiden för telekommunikation? IP telephony the future of telecommunications? Examensarbetet utfört på: Institutionen för Industriell ekonomi och samhällsvetenskap Avdelningen för Data- och systemvetenskap av: Stefan Holmgren Ola Lundqvist Luleå 2002-10-16 Handledare Hugo Quisbert, Luleå Tekniska Universitet
Förord Denna rapport är resultatet av vårt examensarbete som gjordes under vårterminen 2002 och avslutar våra studier vid Luleå Tekniska Universitet. Vi vill här passa på att tacka de personer och företag som hjälpt till och gjort detta arbete möjligt; Hugo Quisbert, som varit vår handledare och kommit med många värdefulla tips och idéer. De respondenter på de företag som vi har med i vår fallstudie för att de tagit sig tid att ställa upp på intervjuer. Alla de lärare och studenter som deltagit på seminarierna och där kommit med konstruktiv kritik, vilket förhoppningsvis har bidragit till att förbättra detta arbete. Luleå 2002-10-16 Stefan Holmgren Ola Lundqvist
Sammanfattning Utvecklingen och utbredningen av datanät blir allt större, och företag lägger mycket pengar på att hålla sig väl framme i utvecklingen. Samtidigt är dagens teleräkningar av en sådan dignitet att mycket pengar läggs ned på detta område också. Syftet med vår rapport är att undersöka om IP-telefoni, där datanät baserade på IP (Internet Protocol), även kan förmedla samtal på ett för företagen tillfredsställande sätt. På detta sätt kan stora pengar sparas, då det traditionella telenätet kan rationaliseras bort. Vi begränsade oss till att undersöka tre företag som idag använder IP-telefoni. Vi lämnade den tekniska bakgrunden till hur IP-telefoni fungerar och gick istället in för att ur det slutanvändande företagets synpunkt visa på fördelar och nackdelar med IP-telefoni. Vi kom fram till att IP-telefoni har en mängd egenskaper som är minst i paritet med traditionell telefoni. Men på ett antal områden finns luckor, och här krävs utveckling för att IP-telefoni ska kunna anses vara att föredra framför traditionell telefoni.
Abstract The development and expansion of computer networks is increasing in significance, and companies are spending a lot of money keeping ahead in the development. The telephone invoices are concurrently of such dignity that a lot of money is spent in this area too. The purpose with our thesis is to explore if IP telephony, where computer networks based on IP (Internet Protocol), also can intermediate phonecalls in a for the companies satisfactory way. This way, a lot of money can be saved, as the traditional telecommunications network can be made redundant by efficiency. We have restricted our work to examine three companies who are using IP telephony today. We left the technical background to how IP telephony works and focused our attention to from a using company s point of view show pros and cons with IP telephony. We came to the conclusion that IP telephony has a number of characteristics that are at least in parity with traditional telephony. But in some areas there are gaps, and these areas demand development for IP telephony to be considered better in comparison with traditional telephony.
INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 INLEDNING... 1 1.1 BAKGRUND... 1 1.2 PROBLEMOMRÅDE... 1 1.3 FORSKNINGSFRÅGA... 2 1.4 SYFTE... 2 1.5 AVGRÄNSNINGAR... 2 1.6 DEFINITIONER... 2 1.6.1 IP-telefoni... 3 1.6.2 Telefoniansvarig... 3 1.6.3 Vardaglig användare... 3 2 TEORI... 4 2.1 IP-TELEFONINS HISTORIA... 4 2.2 GATEWAYS... 4 2.2.1 Hur fungerar den?... 5 2.2.2 Eko... 6 2.3 PSTN-NÄTVERK (KRETSKOPPLADE NÄTVERK)... 6 2.4 IP-NÄTVERK (PAKETFÖRMEDLANDE NÄTVERK)... 6 2.5 SKILLNADER MELLAN PAKETFÖRMEDLANDE OCH KRETSKOPPLADE NÄTVERK... 7 2.6 TCP/IP... 8 2.7 ETT SAMTAL... 10 2.7.1 Sampling och digitalisering... 10 2.7.2 Överföring... 11 2.8 FÖRDRÖJNINGAR... 12 2.9 SHANNON OCH WEAVERS KOMMUNIKATIONSTEORI... 13 2.10 QUALITY OF SERVICE... 14 2.10.1 Vad är Quality of Service?... 15 2.10.2 Quality of Service parametrar... 15 2.10.3 Bandviddens nyckelroll... 18 2.11 IP-TELEFONI ENLIGT STATSKONTORET... 18 2.12 IP-TELEFONI ENLIGT GORALSKI OCH KOLON... 20 2.12.1 Reducerad kostnad vid långdistanssamtal... 20 2.12.2 Mera samtal per bandvidd... 20 2.12.3 Mera och bättre utbud av tjänster... 21 2.12.4 Effektivaste användningen av IP... 22 2.13 SAMMANFATTNING AV TEORI... 22 3 METOD... 23 3.1 UNDERSÖKNINGSANSATS... 23 3.2 FORSKNINGSANSATS... 23 3.3 VAL AV ORGANISATIONER/ANALYSENHETER... 23 3.4 DATAINSAMLINGSMETOD... 24 3.5 TILLVÄGAGÅNGSSÄTT VID ANALYS... 25 3.6 METODPROBLEM... 25 3.6.1 Validitet... 25
3.6.2 Reliabilitet... 26 4 EMPIRI... 27 4.1 FÖRETAG A... 27 4.2 FÖRETAG B... 28 4.3 FÖRETAG C... 28 4.4 RESULTATREDOVISNING... 28 4.4.1 Telefoniansvarig... 29 4.4.2 Vardaglig användare... 32 4.4.3 Resultatsammansättning... 35 5 ANALYS... 36 5.1 PRIS... 36 5.2 SÄKERHET... 37 5.3 TILLFÖRLITLIGHET... 37 5.4 LJUDKVALITÉ... 38 5.5 MERVÄRDEN OCH ANVÄNDARVÄNLIGHET... 39 6 SLUTSATSER OCH METODDISKUSSION... 40 6.1 SLUTSATSER... 40 6.1.1 Pris... 40 6.1.2 Säkerhet... 40 6.1.3 Tillförlitlighet... 41 6.1.4 Ljudkvalité... 41 6.1.5 Mervärden... 41 6.1.6 Vårt resultat... 41 6.1.7 Övrigt... 43 6.2 METODDISKUSSION... 43 6.2.1 Validitet... 43 6.2.2 Reliabilitet... 44 6.3 FÖRSLAG TILL FORTSATT FORSKNING... 44 REFERENSER BILAGOR
1 Inledning Den 11 september 2001 kraschade två passagerarplan in i de två tornen som utgjorde World Trade Center i New York, U.S.A. När de personer som fanns kvar i skyskraporna försökte ringa ut för att varsko räddningsmanskapet om var de befann sig upptäckte de att telefonlinjerna slutat att fungera. Det fanns dock ett företag i byggnaden som implementerat IP-telefoni, och detta gjorde att de kunde kommunicera med omvärlden och berätta många viktiga detaljer om situationen inne i tornen vilket ledde till att flera liv kunde räddas. 1.1 Bakgrund IP-telefoni är ett relativt nytt koncept, vilket innebär att telefonsamtal rings över ett datanät som är baserat på IP (Internet Protocol). Traditionell telefoni, eller PSTN (Public Switched Telephone Network) som är den engelska termen, har länge varit dominerande när det gäller röstkommunikation. Då detta fungerar bra har inte viljan att ersätta detta med något bättre infunnit sig i speciellt hög grad. Idag är utbredningen av datanät väldigt stor, i och med Internet och företags olika intranät, och detta har medfört en önskan att kunna utnyttja dessa nät också för röstkommunikation. För detta finns många anledningar, vilka vi kommer att gå in på under teoriavsnittet. En är dock att organisationer genom att utnyttja samma datanät och utrustning för både datatrafiken och röstkommunikationen kan göra stora besparingar, då man använder ett nät istället för två. IP är en svit signaleringsprotokoll som används i Internet, men som också dominerar inom företag när det gäller intern datakommunikation. I flera år har ett omfattande utvecklingsarbete pågått i syfte att utnyttja denna befintliga infrastruktur också för telefoni, det vill säga att förmedla telefonsamtal över IP-baserade nättjänster IPtelefoni. Tekniken går i korta drag ut på att samtalet paketeras till digitala signaler, vilka skickas över ett nät med IP-protokoll (Internet är ett alternativ) till mottagaren. Det finns dock enligt Stadskontoret (2000) vissa problem med tekniken, bland annat hur försäljare av IP-telefoni ska kunna garantera fullgod ljudkvalitet, uppfylla kraven på tillförlitlighet och tillgodose kapacitetskraven på de lokala datanät som ska bära telefonin. Problematiken ligger bland annat i att ljudpaketen måste komma fram i en jämn ström och i rätt ordning för att det ska låta bra. Då IP-telefoni fraktas som en digital signal så kan det när ett nät är hårt belastat hända att paketen helt eller delvis faller bort, vilket leder till att ljudet blir ryckigt eller obefintligt. 1.2 Problemområde Eftersom många företag i dagens moderna samhälle besväras av höga telefonräkningar, så skapas ett behov efter en billigare lösning som alternativ till det analoga telenät som används för våra vardagliga samtal. 1
Ett av problemen med traditionell telefoni är att för att skapa ett samtal behövs en telefonlinje som ligger fast under hela tiden samtalet pågår. Uppkopplingen går genom en dedikerad väg av noder fram till mottagaren. Problemet med traditionell telefoni är att när en telefonkabel går av eller på annat sätt blir obrukbar, så kommer samtalen som skulle gå över denna kabel att brytas. Ett annat problem är att dessa telefonkablar har en maxgräns för hur många samtal som kan ringas under ett givet tillfälle, när detta antal är uppfyllt kan alltså ingen annan ringa över denna förbindelse förrän någon har avslutat sitt samtal. 1.3 Forskningsfråga Vilka egenskaper har IP-telefoni jämfört med traditionell telefoni? 1.4 Syfte Att undersöka IP-telefoni och dess egenskaper för att se om det kan anses vara attraktivt jämfört med traditionell telefoni ur en slutanvändande organisations perspektiv. 1.5 Avgränsningar Då IP-telefoni är ett så nytt begrepp och fortfarande under utveckling finns det idag ingen allmänt accepterad standard för hur IP-telefoni ska se ut. Många utvecklare skyndar på utvecklingen av sin produkt för att den ska nå ut till marknaden, och därför finns så här i startskedet en stor skillnad i hur de olika varianterna är uppbyggda följaktligen också vad de kan göra. Det finns en mängd olika sätt att använda sig av IP-telefoni, vilket också framgår av definitionen, vilken följer under avsnittet definitioner nedan. Denna uppsats ska inte gå in på tekniska detaljer som till exempel hur en telefon eller dator utrustad med möjlighet till IP-telefoni är uppbyggd. Den ska istället belysa IPtelefoni som sådant, oberoende vad man sitter vid eller håller i när man talar. Uppsatsen begränsas också till att undersöka företag med egna IP-nät. Vi har valt att avgränsa oss till att undersöka med företag som grund, detta för att IPtelefoni inte finns i någon större utsträckning hos privatpersoner ännu, och att de största vinsterna finns att göra hos just företag. 1.6 Definitioner Här följer ett antal definitioner av uttryck som vi använder oss av i texten. Detta avsnitt finns med för att beskriva och klargöra vår definition av begreppen. 2
1.6.1 IP-telefoni IP-telefoni är transport av telefonsamtal över ett nät, oavsett om traditionella telefoner, multimedia PCs eller för ändamålet speciellt avsedda terminaler (IP-telefoner) tar del i samtalen och oavsett om samtalen helt eller bara delvis går över ett nät baserat på IPprotokoll. Vi har valt att göra denna definition på grund av att det med IP-telefoni går att ringa på flera olika sätt. Huvudsaken är dock att samtalet under någon del av den sträcka det ska transporteras skickas över ett nät som är baserat på IP-protokoll paketerat i bitar. Om samtalet inte hela vägen skickas över detta nät har alltså ingen betydelse, utan det kan alltså teoretiskt gå över det vanliga analoga telenätet som ljudvågor under en del av sträckan. 1.6.2 Telefoniansvarig Den telefoniansvariga på de företag vi intervjuat har ansvaret för telefonin. Med detta impliceras att denna person har ingående information om hur telefonin är uppbyggt på sitt företag, för att kunna svara på frågor angående pris, säkerhet, tillförlitlighet med mera. 1.6.3 Vardaglig användare En vardaglig användare är anställd på ett företag/organisation och har kontakt med IPtelefoni i sitt vardagliga arbete, och använder sig av en IP-telefon vid samtal. Detta innebär att en vardaglig användare kan svara på frågor angående ljudkvalité, tillförlitlighet och mervärden med mera. 3
2 Teori I detta kapitel kommer vi att gå igenom de teorier som vi anser vara väsentliga för att lyfta fram de egenskaper och åsikter som finns angående IP-telefoni. 2.1 IP-telefonins historia Industrin kring IP-telefoni tog enligt Deveaux (2000) fart 1995 med uppfinningen av en datortelefon av VocalTec. VocalTec skapade telefon med mjukvara och ett grafiskt användargränssnitt som tillät en användare av en sådan telefon som var uppkopplad mot Internet och utrustad med dator att prata direkt med en annan användare. VocalTec fick snart många konkurrenter och redan vid slutet av 1995 hade ytterligare ett tiotal företag gett sig ut på marknaden med egna produkter. Dessa produkter medgav dock från början bara möjligheten att ringa mellan två datorer. För att göra IP-telefoni till ett alternativ till PSTN var utvecklarna nu tvungna att konstruera någon typ av brygga mellan IP-datanät och PSTN, vilket löstes med en gateway. Deveaux (2000) skriver vidare att denna gateway utvecklades till att transformera en digital/analog signal till ett datapaket och komprimera paketet så att det kunde hanteras av ett IP-baserat nätverk. Problemet var att ingen standard accepterades, och detta gjorde att olika utvecklare följde sin egen väg, vilket ledde till inkompabilitet mellan utrustningarna på marknaden. För att kunna ringa med IP-telefoni var det tvunget att finnas likadana gateways på ändpunkterna för samtalet, för att samtalet skulle omtransformeras rätt. IP-telefoni industrin fortsatte att utvecklas i en snabb takt och redan 1996 utvecklades den första gatewayen (gateway) som gjorde det möjligt för IP-telefonin att interagera med ett PSTN. 2.2 Gateways Gateways är enligt Intel (1999) nyckeln till hur IP-telefoni kan göras tillgängligt för alla. Genom att göra en brygga mellan den traditionella kretskopplade telefonin och Internet, kan gateways erbjuda möjligheterna hos IP-telefoni till den terminal i världen som är vanligast, billigast, mest mobil och enklast att använda; standardtelefonen. Gateways klarar också ett problem hos IP-telefoni, nämligen adressering. För att kunna adressera en annan användare på en multimedia PC så måste uppringaren veta den användarens IPadress. För att kunna adressera en annan användare med en gateway, behöver uppringaren dock bara veta den användarens telefonnummer, vilket ju är enklare att komma ihåg. 4
2.2.1 Hur fungerar den? Konceptuellt, så fungerar telefongateways enligt Intel (1999) så här: På en sida, en gateway bryggar till telefonvärlden. Den kan kommunicera med vilken telefon som helst i världen. En telefonlinje kopplas till denna gateway på denna sida. På andra sidan, en gateway bryggar till Internetvärlden. Den kan kommunicera med vilken dator som helst i världen. Ett datanätverk kopplas till denna gateway på denna sida. En gateway tar standardtelefonsignalen, digitaliserar den (om den inte redan är digital), komprimerar den signifikant, paketerar den för Internet genom att använda Internet Protocol (IP), och routar den till en destination över datanätverket. En gateway vänder på operationen, för paket som kommer från datanätverket och ut till en telefon. Båda operationerna (kommer från och går till telefonnätverket), sker på samma gång, genom att tillåta full duplex (tvåvägs) konversation. Intel menar att ett antal konfigurationer kan byggas från denna operation. Telefon-tilldator eller dator-till-telefon kan ske med en gateway. För telefon-till-telefon måste två gateways användas. För att erbjuda internationella långdistanstjänster med gateways, så kan till exempel en organisation placera en gateway i varje land. Genom att komma förbi de internationella kopplingsavgifterna, och även komma förbi nationella långdistansavgifterna, så kommer dessa konfigurationer att kosta betydligt mindre än den traditionella kretskopplade tjänsten. Bild 2.1 Gateways i ett nätverk 5
2.2.2 Eko I en typisk konfiguration så är enligt Intel (1999) två gateways kopplade till analoga telefoner via en digital, lokal switch. Telefonsystemet utövar generellt ingen ekoutplåning på lokala kretsar, utan eko finns men är inget problem på lokala samtal. Detta för att fördröjningen inte är tillräckligt stor för att ekot ska komma tillbaka som en separat sändning. Telefonsystemet tar däremot hand om ekot på långdistanssamtal. Efter tiden det tar för ekot att komma tillbaka genom nätverket till den talande, upplevs det som ganska störande. IP-telefoni representerar ett unikt fall. Tekniskt används lokala kopplingar, och därför hanterar inte systemet själv ekot. Men eftersom långdistanssamtal rings, så kommer ekot att störa sändningen om det inte tas om hand. Därför måste IPtelefonigateways hantera ekot och ta bort det. 2.3 PSTN-nätverk (Kretskopplade nätverk) Enligt Jensen, Gjelstrup och Berti (2000) är den väsentliga skillnaden mellan PSTN och IP-nätverk sättet uppkopplingen sker på. PSTN är kretskopplat (circuit-switched), vilket innebär att en uppkoppling skapas när samtalet introduceras för att sedan hållas under hela tiden samtalet pågår. Denna uppkoppling går genom en dedikerad väg av noder till mottagaren, och vid varje nod så kommer inkommande signal att routas eller switchas till samma utgående kanal under hela tiden för samtalet utan fördröjning. När samtalet introduceras allokeras en bandvidd på 64 kbps, och denna bandvidd ligger fast oberoende av vad som sägs, det vill säga om man pratar eller om det är tyst. Jensen et al. menar att kretskopplade nät lämpar sig perfekt för överföring av realtidstrafik som tal, video och så vidare. Kretskopplade nät kan jämföras med traditionella telefonsystem där man upprättar en förbindelse, överför data och till sist kopplar ned förbindelsen. Bild 2.2 Illustrativ bild av ett kretskopplat nät. 2.4 IP-nätverk (Paketförmedlande nätverk) Ett IP-nätverk däremot är ett paketförmedlande nät (packet-switched), vilket innebär att data delas upp, numreras och sänds i en sekvens av bitar, kallade paket. Enligt Erikson, Fahlgren och Lingefjärd (1999) så routas varje paket genom noderna i nätverket efter en väg som inte bestämts i förväg, och paketen tar olika vägar oberoende av vilken väg 6
föregående paket tog. Eftersom paketen åker olika vägar så tar det olika lång tid för dem att komma fram till destinationen, och det innebär i sin tur att paket kan komma fram i en annan ordning än i den de skickades. Enligt Jensen, Gjelstrup och Berti (2000) allokeras ingen fast bandvidd i paketförmedlande nät och det kan därför sägas vara mer effektivt, eftersom nätet kan användas för annan trafik när det inte finns någon data att sända och författarna menar vidare att paketförmedlande nät är lämpliga för ren dataöverföring. Bild 2.3 Illustrativ bild av ett paketförmedlat nät. 2.5 Skillnader mellan Paketförmedlande och Kretskopplade nätverk Ett paketförmedlande nät har några skillnader gentemot ett kretskopplat nät. Enligt Erikson, Fahlgren och Lingefjärd (1999) så finns följande skillnader hos paketförmedlande nät: Tillgängliga fysiska linjer utnyttjas effektivt (flera samtal kan samtidigt dela på linjerna). Det kan göras mycket driftsäkert (paket kan skickas alternativa vägar om en viss linje är bruten eller överbelastad). Nät med olika hastigheter kan kommunicera med varandra (eftersom paketen behandlas individuellt). Det är möjligt att prioritera viktiga paket så att dessa får företräde. Vid jämförelse med kretskopplade nätverk kan IP-nätverk bära fler antal samtal över samma bandvidd, på grund av att det är paketförmedlat och komprimerat. Det finns inte heller några uppkopplingsavgifter eller gränsavgifter för långdistans- eller internationella samtal, därför kan tjänsten erbjudas till lägre priser. Vidare så kan IP-telefoni innebära minskade utgifter genom att företag kan använda samma nät för både telefoni och datatrafik. Jensen, Gjelstrup och Berti (2000) menar att i paketförmedlande nät är det normalt ingen bestämd bandvidd reserverad för en förbindelse, utan alla anslutna applikationer delar på den totala bandvidden. Eftersom att dessa nät utnyttjas bättre är det tekniskt billigare att sända ett paket på paketförmedlande nät än på ett kretskopplat nät. De negativa med att ingen bestämd bandvidd blir reserverad för varje enskild förbindelse är om belastningen på nätet vid ett tillfälle är stor. Då kan det effektiva utnyttjandet av bandvidden innebära 7
att varje förbindelse får för lite bandvidd för att fungera tillfredställande. Följden blir då att ljudkvaliteten blir sämre. Vidare menar Jensen et al. att i kretskopplade nät ska mottagar- och sändarhastigheter vara desamma eftersom mottagaren och sändaren är direkt sammankopplade. I paketförmedlande nät kan hastigheterna vara olika eftersom routrarna, om de är högt belastade, innehåller databuffertar där data kan lagras tillfälligt. I kretskopplade nät genomförs ett anrop, medan däremot datapaket sänds direkt i paketförmedlande nät. När ett anrop utförs så ska mottagaren kvittera anropet innan sändaren får sända data. I kretskopplade nät sänds därför inte data om inte mottagarterminalen accepterar anropet, men i paketförmedlande nät sänds datapaket utan mottagarens medgivande. Skillnader i kretskopplade nät gentemot paketförmedlade nät. Jensen, Gjelstrup och Berti (2000) säger att eftersom paketen lagras i routrar innan de vidarebefordras uppstår varierande fördröjningar i ett paketförmedlat nät beroende på routrarnas belastning. Ett sådant nät blir därför inte lika lämpligt för realtidstrafik som ett kretskopplat nät. I ett kretskopplat nät fördröjs signalerna endast med paketets överföringshastighet, medan fördröjningen kan variera ganska kraftigt inom ett paketförmedlat nät. Se kap 2.8 Fördröjningar. Paketens ordningsföljd kan garanteras i ett kretskopplat nät enligt Jensen et al., medan paketens ordningsföljd inte kan garanteras i paketförmedlande nät. Kretskopplade nät garanterar en fast bandbredd eftersom samma överföringskanal ställs till förfogande under hela datafasen. I paketförmedlande nät garanteras ingen fast bandbredd eftersom de anslutna applikationerna kan generera större trafik än vad routrarna kan hantera. Detta innebär att ett kretskopplat nät inte utnyttjas lika effektivt som ett paketförmedlande nät eftersom en fast bandbredd reserveras vid en kommunikation. Detta även om inte kommunikationen behöver hela bandbredden hela tiden, men samtidigt så är man garanterad en fast bandbredd som gör att kvalitén på samtalet blir tillfredställande. 2.6 TCP/IP Som nämnts förut så fungerar IP-telefoni på datanät baserat på IP. Eller ännu hellre, på datanät som använder sig av TCP/IP-protokoll. För att verkligen förstå finessen med IPtelefoni behöver man förstå de grova dragen av TCP/IP-protokoll, och därför följer här en kort översikt till denna typ av protokolluppsättning. TCP/IP anger egentligen två protokoll, men används som samlingsnamn för hela den protokolluppsättning där de brukar förekomma. TCP/IP tillhandahåller möjligheten att koppla ihop flera nätverk av varierande typ, och används på Internet men också flera privata LAN (Local Area Network). Protokolluppsättningen används på paketförmedlande nät och den delar upp kommunikationsuppgiften i flera olika delar eller moduler vilka kan kommunicera med 8
motsvarande delar i andra system. En del i ett system tillhandahåller tjänster till andra delar inom systemet och använder i sin tur tjänster från andra delar. För att förklara modellen kan vi använda oss av en illustrerad modell med skikt. TCP/IPmodellen är inte en modell med strikta skikt på samma sätt som OSI-modellen (Open Systems Interconnection). Även om användandet av alla skikt inte är obligatoriskt är det enligt Jensen, Gjelstrup och Berti (2000) lämpligt att beskriva modellen med fem skikt. I en skiktad modell så kommer protokollen i ett givet skikt att använda tjänster vilka tillhandahålls av protokoll vilka återfinns i det underliggande skiktet. TCP/IP-skikt 5. Applikationsskikt 4. Transportskikt 3. Internetskikt, Nätverksskikt 2. Datalänkskikt 1. Fysiskt skikt Protokoll Telnet, SMTP, e-mail, WWW TCP eller UDP IP Frame Relay, ATM, SMDS, HDLC Modem, 56k, T1, E1, V.35, Sonet Bild 2.3 TCP/IP-modellen 5. Applikationsskikt Detta lager inkluderar alla hög-nivå applikationsprogram och tillhandahåller kommunikation mellan processer eller applikationer på olika system. Dessa protokoll använder tjänster givna av UDP (User Datagram Protocol) eller TCP (Transmission Control Protocol) i transportskiktet. 4. Transportskikt Uppgiften i detta lager är att skapa och upprätthålla en koppling mellan två kommunicerande system. De protokoll som arbetar på denna nivå tillhandahåller end-toend data transfer services. Protokollen gömmer detaljerna av det underliggande nätverket från applikationsskiktet och kan till exempel inkludera mekanismer för tillförlitlighet. En portidentifierare i transportprotokollmeddelanden refererar till applikationer i högre skikt. Två huvudsakliga protokoll används i detta skikt, TCP och UDP. TCP är kopplingsorienterat, och tillhandahåller en så kallad virtuell krets mellan två processer. TCP inkluderar regler för att formatera meddelanden, skapa och avsluta virtuella kretser, flödeskontroll, sekvensiering och felhantering. Protokollet ser till att datapaketen når sin slutdestination i samma ordning som de sändes, och paket som tappats under vägen sänds igen. TCP är ett pålitligt protokoll som kan garantera felfri överföring mellan två ändpunkter i ett nätverk (eller ett nätverk av nätverk). Det kan dock inte garantera en snabb kommunikation och är därför inte lämpligt för realtidsöverföringar som till exempel är fallet med IP-telefoni, men tjänar alltså sitt syfte för applikationer som behöver en felfri kommunikation. UDP är ett enklare protokoll, vilket tillhandahåller en end-to-end data transfer som otillförlitlig och saknar konstant koppling mellan noderna som kommunicerar. UDP tappar inte tid i skapandet och avslutandet av virtuella kretsar 9
och är lämpligt för tidskritiska applikationer vilka inte behöver TCPs sekvensiering eller flödeskontroll. UDP är lämpligt för applikationer med överföring av ljud och bild. 3. Internetskikt, Nätverksskikt Nätverksskiktet är vad som håller ihop hela TCP/IP-modellen. Dess uppgift är att tillåta värdar att sända paket in i ett nätverk, och att låta dessa paket resa oberoende av varandra till sin destination. Skiktet definierar ett paketformat och det officiella protokollet IP (Internet Protocol) som verkar i detta skikt. IP utför en datagramtransport (kopplingslös) genom nätverket. Data sänds mellan källa och destination genom ett eller flera kopplade nätverk av samma eller olika typer vilka är sammankopplade av så kallade routers. Det huvudsakliga jobbet som IP-protokollet har är att skicka paket till rätt mottagare. IP är ett otillförlitligt protokoll och garanterar inte att alla paket når sin destination. Vidare tillhandahåller det inte heller repeterad sändning av borttappade paket eller sekvensiering av paket. Denna typ av tjänst måste där detta eftersträvas i såna fall tillhandahållas av ett skikt på högre nivå. 2. Datalänkskikt TCP/IP-modellen säger inte mycket om de två nedersta skikten, utom att varje värd måste kopplas till nätverket på något sätt, som gör att den kan sända paket med hjälp av IPprotokoll. Detta skikt tillhandahåller det logiska gränssnittet mellan ett slutsystem och ett delnätverk. 1. Fysiskt skikt Detta skikt definierar hur data ska sändas fysiskt, som till exempel vilket medium som ska användas för överföringen, hur ska data kodas, krypteras med mera. 2.7 Ett samtal IP-telefoni är en realtidsöverföring av röstsignaler vid användande av IP över det publika Internet eller ett privat datanätverk. IP-telefoni implementeras genom nätverk av gateways, som utgör gräns mellan PSTN och IP-nätverk, vilket kan vara Internet, företags intranät eller privata IP-nätverk. När ett samtal rings, så tar en lokal gateway emot PSTN-samtalet, vilket sedan komprimeras och paketeras för att sändas över datanätverket till en destinationsgateway. Här packas samtalet upp och dekomprimeras för att slutföras över PSTN. 2.7.1 Sampling och digitalisering När uppringaren på detta sätt länkas till en annan användare, så kommer en gateway att sampla och digitalisera uppringarens röst, detta görs genom PAM (Pulse Amplitude Modulation). 10
Analog signal Samplad version av den analoga signalen: PAM Bild 2.4 Hur en analog signal representeras som PAM. De faktorer som styr hur bra kvaliteten blir på signalen som överförs är enligt Hersent, Gurle och Petit (2000) dessa: Frekvensen av samplingarna. Den totala mängden av olika teckenuppsättningar (antalet bits) som används för att koda signalen. Den samplade digitala signalen har vidare enligt Hersent et al således ett stort kvalitetsspektra, och ju tätare mellan samplingarna och större antal bits som representerar ljudvågen, desto bättre överensstämmer den digitala och den analoga signalen med varandra. När digitaliseringen är gjord komprimeras signalen för att uppta mindre utrymme. 2.7.2 Överföring De komprimerade paketen sänds enligt Bergqvist och Sandberg (1999) till den andra användaren genom att använda Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP). När paket blir sena eller förloras, så kommer mjukvaran att hoppa över tomrummen som uppstår och helt enkelt förkasta de sena paketen när de till slut kommer, om de alls gör det. Detta kan skada ljudkvalitén och ibland, när stockningen av paket blir för stor, orsaka att samtalet bryts. Fördröjning är alltså ett problem inom IP-telefoni, och orsakas enligt Bergqvist och Sandberg till största del av processerna med kodning och överföring. Först måste som sagt talet digitaliseras och komprimeras för att kunna skickas över ett datanät, och denna process tar givetvis en viss tid i anspråk. Även trafiken över nätverket ger upphov till 11
förseningar, det vill säga antalet routrar som ljudpaketen måste passera och hur stor trafikbelastning som ligger på nätet vid tillfället för överföringen. Vid hög trafikbelastning menar Bergqvist och Sandberg att routrar inte kan hantera alla paket samtidigt och av denna anledning har routrar en buffertkö, vilken växer när många paket kommer hit samtidigt. Författarna skriver vidare att då paketen tar olika vägar över nätet, så varierar tiden det tar för paketen att komma fram, och fördröjningen är ett faktum. Denna fördröjning kallas jitter och får ljudet att låta hackigt. En ytterligare del i problemet är att om ljudet ska sållas från jitter så kommer fördröjningen att öka. Valet står mellan en långsam kommunikation där allt som sägs hörs och en snabb konversation där vissa delar kan falla bort. Om graden av jitter är stor, så kommer enligt Bergqvist och Sandberg vissa paket att komma fram i fel ordning, vilket leder till att mottagarsidan förkastar paket som kommer för sent. Att tappa paket kan också uppstå om trafikbelastningen är stor och buffertköerna till routrarna blir fulla, de kan då inte ta emot fler paket och dessa tappas bort på vägen. Fenomenet med borttappade paket kan om det rör sig om en ansenlig mängd paket leda till en oförståelig konversation. När denna trafik routas över det publika Internet, så menar Bergqvist och Sandberg att vilken uppkoppling som helst kan bli dålig, beroende på hur paketen routas och hur pass upptagna noderna där routingen bestäms är. I företags intranät, eller kontrollerade IPnätverk, så är infrastrukturen mer kontrollerbar, och då bör IP-telefonin kunna matcha prestandan hos vanlig telefoni. 2.8 Fördröjningar Ljudkvaliteten i ett IP-nätverk kan variera kraftigt, detta beror till stor del på de olika sorters fördröjning som uppstår, och vad de i sin tur ger upphov till. Genom att förklara de olika fördröjningarna här, hoppas vi kunna ge en förklaring till skillnaderna i ljudkvalitet. Enligt Davidson och Peters (2000) finns tre olika typer av fördröjningar. Spridningsfördröjning Ljuset hastighet genom vakuum är ca 300 000 km/s, och elektroner färdas genom koppar eller fiberoptik med ungefär 200 000 km/s. Om man då betänker ett fibernätverk som sträcker sig över halva jordklotet (som ju blir den längsta väg man kan tänka sig på jorden), så ger det upphov till en fördröjning enkel väg på ungefär 70 ms. Även om Davidson och Peters (2000) påpekar att denna fördröjning i det närmaste är omöjlig att uppfatta för det mänskliga örat, så är det ändå en faktor i den totala fördröjningen. Hanteringsfördröjning Applikationer som hanterar ljudströmmen på sin väg genom nätverket genererar hanteringsfördröjning. Hanteringsfördröjning är enligt Davidson och Peters (2000) ett problem och måste givetvis också hanteras inom PSTN, men det är ett ännu större problem i miljöer där ljudet ska digitaliseras och paketeras. Om varje röstbit generar 10 12