PERFORMANCES DE LA VOIP SUR RÉSEAUX WIRELESS
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Travail de diplôme : Rapport
Performances de la VoIP
sur réseaux wireless
Candidat Jean Chiappini
Diplômant en Télécommunications réseaux et services
Responsable Stephan Robert
Docteur ès Sciences EPFL
Professeur de Téléinformatique (eivd)
Expert Daniel Rodellar
Docteur ès Sciences Techniques EPFL
Swisscom Innovations
DIPLÔME 2002
CANDIDAT : J. CHIAPPINI PROFESSEUR : S. ROBERT
EXPERT : D. RODELLAR
Remerciements
Avant toute chose, j’aimerai remercier Monsieur Stephan Robert, professeur de
télécommunications à l’eivd, pour m’avoir donné l’opportunité d’exécuter mon travail de diplôme
dans son entièreté à Berne dans le département de recherche et développement de Swisscom SA
(Swisscom Innovations). Je le remercie également pour ses différents conseils et les différents
documents qu’il m’a transmis tout au long de mon travail de diplôme.
Je remercie tout particulièrement Monsieur Daniel Rodellar et Monsieur Ferran Moreno Blanca,
ingénieurs en télécommunications chez Swisscom Innovations, qui m’ont suivis tout le long de
mon travail de diplôme à Berne en me donnant toujours les meilleurs outils ainsi que les
meilleures idées en main afin que je puisse réaliser le meilleur travail de diplôme possible.
Je tiens à remercier également toutes les personnes vers qui je suis allé sans cesse emprunter du
matériel afin que je puisse continuer mon travail et mes différentes mesures. Ces personnes sont
Monsieur Jan Linder, Monsieur Daniel Wenger et Monsieur Urs Schüech tout trois ingénieurs en
télécommunications chez Swisscom Innovations.
Je tiens ensuite à remercier l’entièreté du team BBN de Swisscom Innovations pour son accueil
chaleureux et pour sa bonne humeur tout au long des 12 semaines pendant lesquels j’étais à
Berne.
Il serait injuste de ne pas remercier l’entièreté du corps enseignant et des assistants qui m’ont aidé
tout au long de mes 4 années passées à l’eivd. Voilà qui est donc fait.
Je remercie aussi tous mes camarades de classe de la ETR5-6 2001-2002 pour leur bonne humeur
et leur esprit de camaraderie tout au long de cette dernière année d’étude.
Et je remercie finalement toute ma famille qui m’a aidée à me ressourcer lors des mes week-ends
passés au près d’eux.
Avant propos
Ce travail de diplôme est la prolongation du travail de semestre du même auteur. Le
travail de semestre a été réalisé pendant le 6ème semestre du cursus HES en section
Télécommunications Réseaux et Services à l’eivd (école d’ingénieurs du canton de Vaud) en 2002.
Tandis que le travail de diplôme a été réalisé dans son entièreté à Berne dans le département de
développements et de recherches de Swisscom SA également en 2002. La durée du dit travail de
diplôme est de 12 semaines à plein temps (1 octobre 2002 au 19 décembre 2002). Ce travail de
diplôme est l’aboutissement de 3 années d’études afin d’obtenir le titre d’ingénieur HES en
Télécommunications spécialiste en réseaux et services. Le travail sera jugé le 16 janvier 03 par le
professeur responsable Monsieur Stephan Robert ainsi que par les experts Monsieur Jan Linder et
Monsieur Daniel Rodellar tout deux ingénieurs en télécommunications chez Swisscom
Innovations.
Ce document comporte deux parties distinctes : « Partie tutorial » et « Partie pratique ». La
première étant une explication non complète mais suffisante pour comprendre les différents
mécanismes mis en action dans la partie pratique et donne une vue d’ensemble des différents
problèmes liés à la VoIP et aux réseaux WLAN 802.11b. La deuxième est la mise en pratique
d’une solution de VoIP fonctionnant avec des clients WLAN 802.11b. Ceci afin de pouvoir
ensuite soumettre la plateforme a une série de tests de façon à déterminer les performances et les
limitations de telles solutions pour pouvoir en tirer des conclusions sur la qualité qu’on peut
offrir.
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Résumé
L’engouement qu’engendre les nouvelles technologies sans fil dans les réseaux locaux
d’entreprises et le fait que la VoIP arrive à maturité amène un vent de fusion de ses deux
technologies. C’est pour ça qu’il faut pouvoir assurer un service de qualité aux futurs utilisateurs
Le but de ce travail de diplôme est de déterminer s’il y a besoin d’ajouter des mécanismes
garantissant une qualité de service lors d’appels téléphoniques effectués sur les réseaux WLAN
802.11b grâce à la technologie VoIP.
Pour ce faire, la première étape est de déterminer une architecture standardisée pour la VoIP sur
réseaux WLAN 802.11b. Une fois l’architecture définie, une recherche sur les meilleurs produits
actuellement sur le marché a été entreprise afin de définir une plateforme ayant un bon rapport
qualité-prix-interopérabilité.
Le gros du travail a ensuite consisté à monter cette plateforme avec les moyens mis à disposition
par Swisscom Innovations et à déterminer des scénarios de mesures. Une fois ces deux étapes
réalisées, les différents tests suivants les scénarios pré-établis ont été exécutés sur la plateforme
afin de tester la performance de la VoIP.
Le protocole de signalisation de la VoIP SIP ainsi que le logiciel VOCAL 1.4.0 de VOVIDA sont
les piliers de la plateforme
La conclusion de la partie pratique montre les performances de la VoIP sur les réseaux WLAN
802.11b et démontre les limitations d’utilisation pour pouvoir toutefois faire de la VoIP sur des
réseaux WLAN 802.11b dans les meilleures conditions possibles à l’heure actuelle.
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Table des matières
1 Introduction ............................................................................................... 10
2 Tutorial sur la VoIP .................................................................................. 11
2.1 Codecs pour la VoIP.....................................................................................13
2.2 Signalisation pour la VoIP............................................................................14
2.2.1 Signalisation H.323 .............................................................................................15
2.2.2 Signalisation SIP (Session Initiation Protocol) .......................................................18
2.2.3 Comparaison entre SIP et H.323 .........................................................................23
2.2.4 Perspectives d’Avenir pour la signalisation VoIP ...................................................25
2.3 Architecture VoIP .........................................................................................26
2.3.1 Architecture SIP ...................................................................................................27
2.3.2 Architecture H.323 ..............................................................................................28
3 Tutorial WirelessLAN .............................................................................. 30
3.1 Introduction....................................................................................................30
3.2 Architecture WLAN......................................................................................31
3.2.1 Type de Réseau WLAN infrastructure .................................................................31
3.2.2 Type de réseau WLAN ad hoc .............................................................................31
3.3 Standards (normes) WLAN .........................................................................32
3.3.1 la norme IEEE 802.11.......................................................................................32
3.3.2 La norme IEEE 802.11a ....................................................................................33
3.3.3 La norme IEEE 802.11b ....................................................................................33
3.3.4 La norme IEEE 802.11c ....................................................................................33
3.3.5 La norme IEEE 802.11d ....................................................................................34
3.3.6 La norme IEEE 802.11e ....................................................................................34
3.3.7 La norme IEEE 802.11f ....................................................................................34
3.3.8 La norme IEEE 802.11g ....................................................................................34
3.3.9 La norme IEEE 802.11h ....................................................................................34
3.3.10 La norme IEEE 802i ..........................................................................................34
3.3.11 La norme IEEE 802.11j ....................................................................................35
3.4 Modes de transmission WLAN...................................................................35
3.4.1 Mode FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum ) ...........................................35
3.4.2 Mode DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)...................................................35
3.4.3 Mode IR (Infra-Red) ............................................................................................36
3.5 Méthodes d’Accès au canal avec WLAN...................................................36
3.5.1 Méthode CSMA/CA..........................................................................................37
3.5.2 Méthode RTS/CTS.............................................................................................38
3.5.3 Méthode Polling ....................................................................................................38
3.6 Partie roaming WLAN..................................................................................39
3.7 Partie power management WLAN .............................................................39
3.8 Partie fragmentation WLAN .......................................................................39
3.9 Partie sécurité WLAN...................................................................................39
4 Problèmes pour la VoIP........................................................................... 40
4.1 Généralités sur les problèmes de qualité....................................................40
4.2 Limitations dues au lien WLAN .................................................................42
5 Tutorial QoS – Quality of Service .......................................................... 44
5.1 Mécanismes de QoS ......................................................................................44
5.1.1 Mécanisme IntServ (Integrated Services).................................................................44
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5.1.2 Mécanisme Diffserv (Differenciated Services) ..........................................................45
5.1.3 Mécanisme QOSPF (QoS Path first) ...................................................................45
5.1.4 Mécanisme MPLS (Multi Protocol Label Switching) ............................................46
5.2 Mécanismes de QoS pour lien Wirelesss ...................................................48
5.2.1 Pour réseau WLAN Infrastructure.......................................................................48
5.2.2 Pour réseau WLAN Ad Hoc ..............................................................................49
6 Description partie pratique ...................................................................... 54
7 Réalisation de la plateforme..................................................................... 55
7.1 Installation VOCAL 1.4.0 ............................................................................56
7.1.1 Préalable avant de pouvoir installer VOCAL.......................................................57
7.1.2 Configuration de VOCAL 1.4.0 .........................................................................59
7.2 Configuration des clients..............................................................................65
7.2.1 Configuration de Microsoft Messenger 4.7..............................................................65
7.2.2 Configuration de EyePphone de EyeP MEDIA ...................................................68
7.2.3 Configuration de SIP phone Cisco 7960...............................................................70
8 Mesures performances & QoS ................................................................ 72
8.1 Délai .................................................................................................................73
8.2 perte de paquets .............................................................................................74
8.3 Gigue................................................................................................................74
8.4 Techniques de mesures.................................................................................75
9 Définition scénarios de mesures ............................................................. 78
10 Partie tests & Résultats ............................................................................. 80
11 Conclusion.................................................................................................. 88
12 Lexique........................................................................................................ 90
13 Références .................................................................................................. 90
13.1 Liens Internet .................................................................................................90
13.2 Livres, Cours et Rapport ..............................................................................90
14 Annexes ...................................................................................................... 91
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Table des figures :
Figure 1 : Comparatif VoIP vs X.25 ............................................................................................... 11
Figure 2 : Architecture VoIP « Tout IP ».......................................................................................12
Figure 3 : Architecture VoIP « IP + RTC » ................................................................................... 12
Figure 4 : Tableau récapitulatif CODEC's ..................................................................................... 13
Figure 5 : Exemple de terminal H.323 (Mircosoft Netmeeting)................................................. 15
Figure 6 : Représentation pile protocole H.323 ............................................................................ 16
Figure 7 : Etablissement d’un appel avec H.323 ........................................................................... 17
Figure 8 : Stack SIP et Messages SIP .............................................................................................. 19
Figure 9 : Connexion SIP par Proxy ............................................................................................... 20
Figure 10 : Connexion SIP par serveur de redirection ................................................................. 21
Figure 11 : Architecture de réseau implémentant Q-SIP............................................................ 23
Figure 12 : Tableaux comparatifs H.323 vs SIP............................................................................ 25
Figure 13 : Exemple de terminal SIP : Cisco 7960 ....................................................................... 26
Figure 14 : Architecture SIP (sans PSTN) ..................................................................................... 27
Figure 15 : Exemple de gateway wireless H.323 : Antek WRG 5000 ........................................ 29
Figure 16 : Architecture standard H.323 ........................................................................................29
Figure 17 : Réseau Infrastructure 802.11b ..................................................................................... 31
Figure 18 : Réseau Ad Hoc 802.11b ............................................................................................... 32
Figure 19 : Représentation des couches OSI et IEEE................................................................ 32
Figure 20 : Révisions normes wireless ............................................................................................ 33
Figure 21 : Exemple de transmission FHSS .................................................................................. 35
Figure 22 : Exemple de transmission avec DSSS.......................................................................... 36
Figure 23 : Méthode d’accès au médium par CSMA/CA............................................................ 37
Figure 24 : Situation présentant une station cachée...................................................................... 38
Figure 25 : Méthode d’accès au médium RTS/CTS..................................................................... 38
Figure 26 : Correspondance du taux de pertes sur la qualité de la communication................. 41
Figure 27 : Tableau des délais requis pour la VoIP en fonction de la classe d’apartenance ... 42
Figure 28 : Conséquence possible du délai lors d’un continu de paquets ................................. 42
Figure 29 : Mécanisme pour la QoS Intserv .................................................................................. 44
Figure 30 : Mécanisme pour la QoS Diffserv................................................................................ 45
Figure 31 : Mécanisme de QoS MPLS............................................................................................ 46
Figure 32 : Emplacement des mécanismes de QoS...................................................................... 47
Figure 33: Plateforme VoIP ............................................................................................................. 56
Figure 34 : Configuration réseau Linux.......................................................................................... 59
Figure 35 : Fenêtre configuration VOCAL.................................................................................... 63
Figure 36 : Fenêtre gestion utilisateur VOCAL ............................................................................ 63
Figure 37 : Entrée de l'identificateur de l'utilisateur VOCAL ..................................................... 64
Figure 38 : Fenêtre utilisateur VOCAL ..........................................................................................64
Figure 39: Microsoft Messenger 4.7................................................................................................ 66
Figure 40 : Options "Compte" de Messenger ............................................................................... 66
Figure 41 : Paramétrage du flux de la voix pour Messenger........................................................ 67
Figure 42 : Fenêtre pour initier un appel SIP avec Messenger.................................................... 67
Figure 43 : Fenêtre de configuration de EyePphone.................................................................... 68
Figure 44 : Fenêtre paramètres réseaux de EyePphone ............................................................... 69
Figure 45 : Téléphone SIP Cisco 7960 ...........................................................................................71
Figure 46 : Tableau des délais requis pour la VoIP en fonction de la classe d’appartenance . 74
Figure 47 : Trame RTP ..................................................................................................................... 77
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Figure 48 : Influence du choix du canal de fréquence entre 2 AP 802.11b............................... 81
Figure 49 : Dégradation du débit en fonction de la distance....................................................... 82
Figure 50 : Taux de pertes en fonction du nombre d'appels....................................................... 83
Figure 51 : Bande passante en fonction du nombre d'appels...................................................... 84
Figure 52 : Tableau récapitulatif du -taux de pertes en fonction de la charge .......................... 85
Figure 53 : Taux de pertes pour un appel WLAN-WLAN avec charge UDP Ethernet ......... 85
Figure 54 : Taux de pertes pour un appel WLAN-WLAN avec charge UDP WLAN ........... 86
Figure 55 : Schéma de principe d'un AP (buffer et CPU) ........................................................... 87
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Table des abréviations
AP Access Point
ARP Address Resolution Protocol
ASCII American Standard Code for Information Interchange
ATM Asynchronous Transfer Mode
BER Bite Error Rate
BGP Border Gateway Protocol
BSS Basic Service Set
CCA Clear channel Assessement
CEDAR Core-Extraction Distributed Ad hoc Routing algorithm
CODEC Codeur-Decodeur
COPS Common Open Policy Server
CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
CTS Clear To Send
DEN Directory Enabled Networking
DFS Dynamic Frequency Selection
DHCP Dynamic Host Configuration Protocol
DiffServ Differenciated Services
DIFS Distributed Function Interframe Spacing
DNS Domain Name Server
dRSVP dynamic Reservation Ressource Protocol
DS spreaD Spectrum
DSCP Differentiated Sevices Code Point
DSDV Destination Sequence Distance Vector
DSP Digital Signal Processors
DSSS Direct Sequence Spread Spectrum
ECTF Enterprise Computer Telephony Forum
ESS Extended Service Set
ETSI European Telecommunications Standards Institute
FH Frequency Hopping
FQMM Flexible QoS Model for Mobile
Hiperlan Hight Performance Radio LAN
HTTP HyperText Transfer Protocol
IANA Internet Assigned Numbers Authority
IBSS Independent Basic Service Set
IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers
IETF Internet Engineering Task Force
IM Instant Messaging
IMTC International Multimedia Teleconferencing Consortium
INSIGNIA In-band Signaling
IntServ Integrated Services
IP Internet Protocol
IPBX Internet Protocol Branch eXchange
IPTEL IP Telephony
IPv6 Internet Protocol version 6
IR Infra-Red
ISM Industrial, Scientific and Medical
ISP Internet Service Provider
LAN Local Area Network
LDAP Lightweight Directory Access Protocol
LLC Logical Link Control
MAC Medium Access Control
MACA/PR Multiple Access Collision Avoidance with Piggyback Reservation
MC Multipoint Controller
MIME Multipurpose Internet Mail Extensions
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MP Multipoint Processor
MCU Multipoint Control Unit
MGCP Media Gateway Control Protocol
MMUSIC Multiparty Multimedia Session Control
MPLS Multi Protocol Label Switching
MTU Maximum Transmission Unit
NIC Network Interface Card
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OSI Open System Interconnection
OSPF Open Shortest Path First
PABX Private Automatic Branch eXchange
PBCC Packet Binary Convolution Coding
PC Personal Computer
PDA Personal Digital Assistant
PIFS Point Interframe Function Spacing
PSTN Public Switched Telephone Network
Q.SIG Protocole de signalisation normalisé basé sur Q.931
QSIP SIP enabled QoS
QoS Quality of Service
QOSPF Quality of Service Path First
RAS Registration/Admission/Status
RFC Request For Comment
RNIS Réseau Numérique à Intégration de Services
RSVP Ressource Reservation Protocol
RTC Réseau Téléphonique Commuté
RTCP Real Time Control Protocol
RTP Real Time Protocol
RTS Request To Send
SDP Session Description Protocol
SIFS Small Interframe Function Spacing
SIGTRANS Signaling Transport
SIP Session Initiation Protocol
SMTP Simple Mail Transfer Protocol
SS7 Signaling System n°7
STA Station
TDMA Time Division Multiple Access
TCP Transport Control Protocol
TFTP Trivial File Transfer Protocol
TOS Type Of Service
TPC Transmit Power Control
UA User Agent
UDP User Datagramme Protocol
UIT(-T) Union Internationale des Télécommunications (secteur des Télécommunications)
UMTS Universal Mobile Telecommunications Service
URL Universal Ressource Locator
VoIP Voice over Internet Protocol
WEP Wireless Encryption Protocol
WI-FI Wireless Fidelity
WLAN Wireless Local Area Network
XXX Protocoles pour gérer les mécanismes de QoS (Diffserv, MPLS,…)
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PA R T I E T U T O R I A L
1 INTRODUCTION
Lorsque nous appelons à l’étranger ou à l’autre bout de la Suisse, les communications
téléphoniques ne sont pas bon marché pour notre porte-monnaie. Pourquoi ne pas les réduire
considérablement en adoptant Internet pour téléphoner directement à nos correspondants ?
Bien qu’Internet ce soit développé rapidement, le téléphone reste encore le favori du public en
matière de communication. Il est plus convivial, car le contact est presque réel, il reste en plus
simple d'utilisation. Pourtant, il fusionne de plus en plus avec le matériel informatique.
Les utilisateurs du téléphone ont depuis toujours été habitués à payer leurs communications en
fonction de la distance et de la durée de celles-ci, mais depuis l'émergence et l'extraordinaire
développement de la VoIP (Voice over IP), les systèmes de facturation changent. On s'habitue au
principe de faire passer les communications téléphoniques sur le réseau informatique et ainsi
profiter de son accès forfaitaire. On peut ainsi communiquer, par écran interposé, n'importe où
dans le monde avec une moindre considération financière puisque le prix est toujours celui d'une
communication locale voir un abonnement par mois ou par année. C'est évidemment cet aspect
financier qui est à l'origine de la téléphonie sur IP avec la révolution des tarifs qui s'annoncent
démesurément bas. Cela est également vrai pour les entreprises qui pourraient gagner la
maintenance et les frais qu’entraîne le réseau PSTN en réorganisant leur infrastructure afin de
passer à un réseau unique au lieu de deux réseaux actuellement (PSTN, LAN).
L’idéal maintenant est d’offrir la mobilité à la VoIP, cette mobilité est offerte grâce aux nouvelles
technologies sans fils (wireless). Actuellement il y a plusieurs systèmes sans fils comme la
technologie Bluetooth, la technologie Hyperlan et la technologie WiFI (802.11b). Cette liste n’est
pas exhaustive, mais ce sont là les principales technologies non propriétaires. Ce projet sera basé
sur la technologie WirelessLAN 802.11b.
La combinaison de la VoIP avec une communication wireless nous permet d’oublier que nous
n’utilisons plus le réseau téléphonique standard pour téléphoner, mais que nous utilisons bien le
réseau mondial Internet.
Actuellement, « tous » les outils sont à disposition afin de réaliser ce pas. Il y a pourtant un
problème, ce problème est le fait qu’il y a une baisse de performance dans le lien wireless. Ceci
entraîne donc qu’il va falloir mettre en place des systèmes garantissant une QoS (Quality of
Service) afin de combler cette baisse de performance. Seulement, il va falloir tester et ainsi
déterminer une combinaison entre le matériel offrant les meilleurs services avec le matériel
offrant la meilleure qualité possible qu’on trouve actuellement sur le marché. Il ne faudra
pourtant pas oublier que la technique avance chaque jour un peu plus. Ceci veut dire qu’une
solution paraissant optimale aujourd’hui pourra devenir désuète demain par l’arrivée d’une
nouvelle technologie…
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2 TUTORIAL SUR LA VOIP
Le but de la VoIP est de finaliser la convergence voix/données autour d’un protocole
unique, IPv4 (IPv6 dans le futur). En effet, la VoIP se base sur la même architecture que
l’Internet et utilise les mêmes infrastructures. De plus en plus d’entreprises sont équipées de
réseaux LAN (Local Area Network) et peuvent donc tirer profit de la voix sur IP à moindre coût.
En intégrant voix et données, la VoIP simplifie l’administration du réseau car tout est centralisé
dans un unique réseau et non deux (réseau téléphonique et réseau LAN). Elle procure aussi des
facilités pour le développement d’applications utilisant de la voix et des données En téléphonie
standard, tout est basé sur le matériel alors que la VoIP tire avantage d’une architecture basée sur
du logiciel.
Ci-dessous un tableau citant les principales différences entre les réseaux téléphoniques commutés
et le réseau IP:
Figure 1 : Comparatif VoIP vs X.25
A l’heure actuelle, peu d’entreprises sont passées à la VoIP et beaucoup d’autres hésitent encore.
Ci-dessous un aperçu des réticences à se passage « obligé ». Obligé par le fait que l’investissement
en temps, technologique et financier peut paraître important au début, mais sera vite comblé aux
fils des années.
• Premièrement, le coût qu’entraîne le passage à la VoIP n’est pas négligeable.
Surtout en ces périodes d’instabilités et de doutes des différents marchés qui
règnent actuellement.
• Deuxièmement, la qualité n’est pas totalement au rendez-vous à l’heure actuelle. Il
y a pleins de problèmes qui sont posés, mais sans toutefois toujours trouver une
réponse.
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• Enfin, la peur de passer à l’acte des différents acteurs aux sein des entreprises qui
ne voient pas d’un bon œil ce changement.
C’est un peu pour ça qu’il y a deux façons de passer à la VoIP. La première est celle pour les gens
sachant attraper le train des nouvelles technologies dès son arrivée en gare. Cette solution est dite
« tout IP ». L’autre façon est pour les gens qui veulent bien essayer sans toutefois vouloir se
mouiller totalement quitte à devoir rattraper le train en marche. Cette deuxième solution est dite
« IP + RTC ». Le réseau téléphonique commuté (RTC) étant le réseau de lignes téléphoniques
que chacun utilise lorsqu'il téléphone de chez lui. L’appellation anglosaxone étant PSTN (Public
Switched Telephone Network).
La différence entre ces solutions et le fait de passer uniquement sur un réseau IP dans la première
ou de garder le réseau téléphonique standard en lui joignant une partie IP dans la deuxième.
Internet
1 2 3
4 5 6
7 8 9 1 2 3
* 8 # 4 5 6
7 8 9
* 8 #
Figure 2 : Architecture VoIP « Tout IP »
Dans le cas de figure ci-dessous, on a le même matériel que dans le cas précédent. C’est à dire
qu’on va utiliser également des téléphones IP pouvant ainsi communiquer avec les applications
de VoIP installés sur les différents pc sur le LAN. La particularité est que pour faire des
téléphones vers le réseau commuté, on va utiliser un IPBX. Le IPBX étant relié au réseau
commuté.
Internet
1 2 3
4 5 6
7 8 9 1 2 3
* 8 # 4 5 6
7 8 9
* 8 #
RTC
IPBX
IPBX
Figure 3 : Architecture VoIP « IP + RTC »
Dans la suite de ce document, on ne va plus revenir sur la solution ci-dessus.
Maintenant que l’environnement de travail a été défini, il va falloir détailler les différents
mécanismes et matériels allant entrer dans la conception du projet ainsi que les différents
protocoles allant être utilisé dans la suite du projet de diplôme.
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2.1 CODECS POUR LA VOIP
Pour faire passer la voix dans un réseau IP, il faut tenir comptes de certains paramètres.
On estime la bande passante de la voix à 4 kHz (400-3400 Hz). Ce qui donne après numérisation
une bande passante de 8 kHz et après codage un débit de 64 kbps. Ceci entraîne que si on veut
transmettre la voix sur un réseau IP sans mécanisme d’optimisation de la taille il nous faudra une
bande passante « continue » de 64 kbps rien que pour la partie données à transmettre.
Toutefois, ceci est rarement le cas, car à l’aide de mécanisme de codage optimisé grâce aux lois de
compression de l’information, on arrive à réduire ce débit nécessaire de plus de 8 fois pour les
meilleurs algorithmes de codages. L’abréviation de ces algorithmes généralement utilisée est
codec (Codeur-Decodeur).
Afin d’avoir la meilleure qualité possible de la voix après avoir passé au travers d’un codec, on a
défini les exigences suivantes :
• Robustesse contre les erreurs binaires : masquage d'erreur nécessaire (utilisation
d'outils tels que la protection inégale contre les erreurs);
• Robustesse contre les pertes de paquets : généralement, pas de temps pour
demander la retransmission de paquets; dégradation progressive de la qualité
vocale en cas de perte (par exemple par la production d'un supplément vocal et
d'un bruit de fond);
Mesures permettant d'obtenir une compression plus forte : compression de l'en-tête IP,
applicable aux réseaux hertziens; types de paquet différents pour la voix et le bruit de fond (y
compris le silence), transmission de bruit de fond uniquement lorsque c'est nécessaire.
Exemple de codecs :
Figure 4 : Tableau récapitulatif CODEC's
Ces codecs peuvent être utilisés par les deux plus grands standards de signalisation que sont SIP
et H.323 du moment que les clients aux extrémités des communications le supportent. D’ailleurs,
la section suivante explique ce que sont H.323 et SIP.
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2.2 SIGNALISATION POUR LA VOIP
La signalisation concerne l’échange d’informations entre les nœuds d’un réseau. Ces
informations servent à l’établissement et au contrôle des connexions à travers le réseau. L’utilité
de la signalisation repose bien sûr sur le principe de l’établissement des connexions, mais elle
permet également le transfert d’informations concernant la gestion du réseau et de ses ressources,
entre autre. Pourquoi faut-il une signalisation standardisée pour la VoIP ?
Pour répondre à cette question, il faut revenir avant 1996, date où le protocole H.323 est apparu.
Les solutions de voix sur IP reposaient alors sur des architectures propriétaires. Ces solutions
bien que « fonctionnelles » présentaient des défauts parmi lesquels le manque d'interopérabilité
des équipements, l'impossibilité de raccordement au réseau public (seuls les ordinateurs pouvaient
communiquer entre eux) ainsi que l'absence d'architecture généralisée pour la connexion de
n'importe quel type de terminal. Chaque architecture était définie pour deux équipements
d'extrémité spécifiques et ne pouvait pas interopérer avec d'autres équipements. C’est pourquoi
de nombreuses organisations ont alors pris part à l'élaboration d'un standard suffisamment
général pour décrire toutes les possibilités de service de voix sur IP. Ils se sont regroupés au sein
d'un groupe de travail de l'UIT.
Ci-dessous une liste des principaux organismes de normalisation pour les différents standards de
la VoIP :
UIT-T (Union Internationale des Télécommunications, secteur Télécoms)
IETF (Internet Engineering Task Force)
IMTC (International Multimedia Teleconferencing Consortium)
ECTF (Enterprise Computer Telephony Forum)
ETSI (European Telecommunication Standards Institute)
International Teleconferencing Association
International Multimedia Association
Dans les deux sous-sections suivantes seront présentés les deux standards les plus utilisés.
Cependant, il ne faudra pas croire que dans la jungle Internet seul ces deux protocoles font fois.
Ce serait abusif. On peut prendre un cas similaire, ce n’est pas parce que Bill Gates équipe 90 %
du marché et plus avec son système d’exploitation qu’il n’y a que Windows…
C’est pourquoi il ne faut pas oublier les protocoles que sont Megaco/MGCP (Media Gateway
Control Protocol), SS7 (Signaling System n°7), IPTEL (IP Telephony), SIGTRANS (Signaling
Transport),…
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2.2.1 SIGNALISATION H.323
C'est aujourd'hui la norme la plus utilisée pour faire passer la voix et la vidéo sur IP ou sur
d'autres réseaux ne garantissant pas une QoS optimale pour l'établissement d'une communication
multimédia. Cette norme a été mise en place par l'UIT en 1996, elle est reconnue et adoptée par
de nombreux fabricants tel que Cisco, IBM, Intel, Microsoft, etc. Ce standard concerne le
contrôle des appels, la gestion du multimédia, la gestion de la bande passante, la connectique
pour les conférences point-à-point ou multipoints, etc.
Il faut remarquer que la norme H.323 a subi plusieurs modifications depuis sa création.
Actuellement la norme H.323 est à sa quatrième version.
2.2.1.1 Principe du protocole H.323
La norme H.323 définit plusieurs éléments de réseaux : les terminaux, les gardes-barrière
(gatekeepers), les passerelles (Gateways H.323 vers H.320/H.324/téléphones classiques) et les
contrôleurs multipoints (MCUs - MC, Multipoint Controller, MP - Multipoint Processor). Les
terminaux de type H.323 peuvent être intégrés dans des ordinateurs personnels ou implantés dans
des équipements autonomes tels que des vidéophones. La prise en charge de la parole est
obligatoire, tandis que celle des données et de la vidéo est facultative.
Figure 5 : Exemple de terminal H.323 (Mircosoft Netmeeting)
Ci-dessous, la présentation des différents protocoles de la norme H.323 représenté suivant la
structure OSI :
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Figure 6 : Représentation pile protocole H.323
RAS (Registration/Admission/Status) : le protocole qui est utilisé entre le
terminal ou la passerelle H.323 et le garde-passerelle. RAS est utilisé pour
l’enregistrement, le contrôle d’admission et la gestion de la bande passante. RAS
est le premier canal de signalisation qui est ouvert entre la passerelle (ou bien le
terminal) et le garde-passerelle.
H.225 : la signalisation d’appel est utilisée pour une connexion entre deux points
de terminaison H.323. Le canal est ouvert soit entre deux points de terminaison
H.323 ou entre un point de terminaison et un garde-passerelle. Les messages
H.225 voyagent sur TCP.
H.255.0 : la transmission par paquets et la synchronisation. Signalisation d'appel,
empaquetage, enregistrement au garde-barrière
H.245 : le contrôle. de l'ouverture et de la fermeture des canaux pour les médias
ainsi que la négociation des formats (codecs)
H.261 et H.263 : les codecs (Codeur-Décodeur) vidéo
G.711, G.722, G.723, G.728 et G.729 : les codecs audio. Ce sont des normes
d'encodage audio, la différence de ces différents codecs est le débit qui en découle
(ex : G.711 donne un débit de 64 Kbps / G.728 donne un débit de 16 kbps)
RTP / RTCP : Real Time Protocol / Real Time Control Protocol. Fonctions de
transport de bout en bout pour les applications temps réel sur des services de
réseau multicast ou unicast. Les applications sont donc aptes à faire des
conférences audio / vidéo interactive ou encore de la simple diffusion de vidéo et
d'audio.
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RSVP (Ressource Reservation Protocol) : l’idée « simple » de RSVP est de
réserver, pour un flux de données particulier, une partie de la bande passante du
réseau, de manière à pouvoir assurer une QoS ( Quality of Service ) à ce trafic. Le
processus consiste à utiliser un descripteur de flux pour requérir cette bande
passante. Lors du transfert de l’information utile, des ressources nécessaires à ce
trafic sont alors données à ce trafic, afin de garantir un certain niveau de
performance.
T.120 : recommandation pour le contrôle des données et des conférences. La
série des recommandations T.120 est utilisée pour les applications données de
l'utilisateur, c'est une série de protocoles de communications multimédias.
2.2.1.2 Etablissement d’un appel avec H.323
Figure 7 : Etablissement d’un appel avec H.323
On peut se rendre compte de la complexité d’un appel avec le protocole H.323. On se rend
compte surtout qu’un établissement d’appel se compose de différentes parties qui sont :
• Flèches vertes sur la figure ci-dessus : phase d’établissement de la couche
transport par TCP et avertissement au récepteur qu’un appel débute.
• Flèches oranges sur la figure ci-dessus : phase d’échange des numéros de canaux
logiques utilisables et échangent des caractéristiques afin de déterminer les codecs
qui pourront être utilisés. Dans cette phase, il y a une multitude d’aller-retour pour
établir la connexion H.245.
• Flèches violettes sur la figure ci-dessus : phase de communication (le transport ce
fait avec le protocole UDP comme pour le protocole SIP).
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2.2.2 SIGNALISATION SIP (SESSION INITIATION PROTOCOL)
SIP est un protocole développé par le groupe de travail MMUSIC (Multiparty Multimedia
Session Control) de l’IETF (Internet Engineering Task Force). Il est défini dans le RFC 2543 de
mars 1999, puis mis à jour de nombreuses fois. Les derniers RFC en date sont le 3261 et le 3265,
tout deux du mois de juin 02. Il s’agit d’un protocole complémentaire aux protocoles déjà
développés par l’IETF comme RTP. Il est aujourd’hui le protocole qui attire le plus l’attention
des développeurs de logiciel VoIP, car il est sensiblement plus simple à exploiter que H.323. On
peut également rencontrer SIP comme protocole pour envoyer des messages instantanés ou
renseigner sur des évènements.
D’un point de vue architectural, SIP est plus « léger » qu’H323, du fait qu’il n’a pas adopté le
standard de signalisation Q.931 ou le standard de négociation H.245. Il diffère à quelques points
de vues de Q.931 connus du monde PSTN (Public switched Telephone Network). H.323 a gardé
comme base de signalisation Q.931 dans l’idée justement de ne pas trop se distinguer du monde
PSTN.
Dans un futur proche, les protocoles SIP et H.323 coexisteront, c’est pourquoi on parle
d’interconnexion SIP/H.323.
Comme avec H.323, les données multimédia transitent par le protocole RTP. La différence réside
dans le contrôle de signalisation. Ces fonctions sont exécutées par le « Session Initiation
Protocol » SIP.
SIP est décrit comme un protocole de contrôle de la couche application. Il établit, modifie et
termine des conversations multimédia. Il ressemble un peu en syntaxe, à HTTP et à SMTP, car il
permet d’établir une session entre 2 interlocuteurs identifiés par des adresses similaires à des
adresses email.
De plus, les messages échangés avec SIP sont au format texte et donc plus facile à comprendre et
à modifier tandis que par exemple, le protocole H.323 utilise le langage abstrait de données
ASN.1 pour l’envoi de ces messages.
La mobilité personnelle est une des fonctionnalités de SIP. Un utilisateur peut garder le même
numéro malgré qu’il soit connecté à des terminaux d’adresses physiques différentes. Egalement,
comme avec le principe des emails, plusieurs adresses d’identificateurs peuvent référencer un
même terminal. Inversement, une adresse SIP peut référencer plusieurs terminaux différents.
Les éléments composants un réseau SIP sont les suivants :
Agent
Serveur d’enregistrement
Serveur de localisation
Serveur de redirection
Proxy
Gateway
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Ci-dessous la représentation de SIP à l’aide du model OSI ainsi que les différents messages
utilisés:
Figure 8 : Stack SIP et Messages SIP
Réponses à ces messages :
• 1xx : messages d'information (100 pour essai, 180 pour sonne)
• 2xx : messages de succès (200 pour OK, 202 pour accepté)
• 3xx : messages de redirection (302 pour momentanément ailleurs)
• 4xx : messages d'erreur sur le client (404 pour pas accessible, 482 pour détection
de boucle)
• 5xx : messages d'erreur sur le serveur (501 pour pas implémenté)
• 6xx : destination occupée, non accessible ou refusant la communication (603 pour
refus)
Pour effectuer un appel à l’aide du protocole SIP il faut voir quels sont les serveurs implémentés
sur le réseau ainsi que les fonctions qu’ils possèdent et la topologie du réseau. Ainsi, il y a 2
façons pour qu’un appel SIP puisse être établi :
S’il y a un proxy, le proxy aura la tâche de router l’appel en direction du destinataire. Il se peut
que le proxy ne sache pas où se trouve le destinataire, c’est pourquoi dans ce cas là, il consulte un
serveur de localisation. Il y a deux sortes de proxys, les proxys « statefull » et « stateless », la
différence est le fait que le proxy « statefull » enregistre la position du destinataire tandis que le
proxy « stateless » ne la mémorise pas. Ce qui fait que le proxy « statefull » consulte une seule fois
le serveur de localisation par destination jusqu’à ce que la destination soit effacée de sa table de
« routage ».
Par contre, il se peut qu’il y ait dans le réseau un serveur de redirection en plus du proxy. Le
fonctionnement d’un tel réseau est le suivant : l’émetteur de l’appel envoie sa requête au serveur
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de redirection, celui-ci lui retourne la position du destinataire s’il la connaît ou sinon il va
consulter le serveur de localisation. Une fois que la position du destinataire est connue par le
serveur de redirection, il va la renvoyer à l’émetteur. Une fois l’émetteur en possession de
l’adresse de destination, il la transmet au proxy afin de pouvoir joindre le destinataire.
Ci après se trouvent les deux exemples d’appel SIP cités ci-dessus :
Le premier cas : Jacques veut téléphoner à son collègue Bill. Cependant, la carrière de Bill est
arrivée à son terme, et Jacques ne le sait pas. Le remplaçant de Bill, George W. vient de prendre
ses fonctions tout récemment, et Bill vient de quitter le bureau. Nous allons voir le rôle du Proxy
dans ce cas de figure.
2.2.2.1 Etablissement d’un appel SIP au travers d’un proxy
Figure 9 : Connexion SIP par Proxy
• L'application cliente du terminal de Jacques va émettre une requête SIP
"INVITE" dont le champ "To:" aura pour valeur l'URL de Bill :
"Bill@whitehouse.gov".
• Jacques reçoit un code réponse 100 de la part du proxy distant, ce qui signifie que
celui-ci cherche à localiser l'appelé. Pendant ce temps, le proxy peut
éventuellement chercher la localisation de Bill dans un Location Server.
• Le Proxy transmet la requête « INVITE » de Jacques au terminal de Bill.
• Bill, avant de partir, a configuré son terminal pour notifier l'appelant de son
départ. Le terminal va donc répondre au Proxy un message code 301, qui signifie
un départ permanent de l'appelé, et donne l'adresse d'un appelé alternatif, dans
notre cas, GeorgeW@ovaloffice.
• Le Proxy acquitte l'information
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• Il réémet la requête de Jacques (qui attend toujours) vers le terminal de GeorgeW.
• 7,8- Le terminal de GeorgeW. sonne, et en notifie le proxy, qui transmet l'info à
Jacques.
• 9,10- Lorsque GeorgeW décroche, son terminal informe le proxy du succès de la
requête « INVITE », et le proxy transmet l'information au terminal de Jacques
• 11,12- Ce dernier acquitte l'information au terminal de GeorgeW par le biais du
proxy. La communication s'établit directement entre les deux protagonistes
indépendamment de SIP (par exemple RTP prend le relais)
• 13 à 16- Lorsqu’un des participants raccroche, un message « BYE » indiquant la
fin de la communication est envoyé. Cette procédure implique une confirmation
par le message OK.
Deuxième cas : Jacques veut encore téléphoner à son homologue américain. Le réseau de
l'endroit où travaillait Bill présente maintenant une architecture différente qui fait intervenir un
Redirection Server. Voyons comment cet appel est redirigé vers George W, le remplaçant de Bill
dans ce nouveau cas.
2.2.2.2 Etablissement d’un appel SIP par le biais d’un serveur de redirection
Figure 10 : Connexion SIP par serveur de redirection
• L'application cliente du terminal de Jacques va émettre une requête SIP
"INVITE" dont le champ "To:" aura pour valeur l'URL de Bill :
"Bill@whitehouse.gov".
• 2,3- Sa requête atteint le Redirection Server du domaine qui, après une éventuelle
consultation du Location Server, retourne à Jacques un message code 301, qui
signifie un départ permanent de l'appelé, et donne l'adresse d'un appelé alternatif,
dans notre cas, GeorgeW@ovaloffice.
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