VoIP 기술동향과 구현방안

VoIP 기술동향과 구현방안

2002. 01

기술특급기술특급메디오피아 테크날리지

VOIP VOIP 개요개요I

1. VOIP 개요1.1 VOIP 란1.2 배경 1.3 구성 요소1.4 Internet Phone 분류1.5 VOIP 발전 단계

2. VOIP 기술 특징2.1 VoIP 관련 기술2.2 VoIP 구현 방식 2.3 VoIP 패킷 포맷2.4 음성 압축 방식2.5 H.3232.6 SIP2.7 QOS

3. VOIP 적용 사례

I. VOIP 개요

1.1 VOIP(Voice Over IP) 란 ? 인터넷의 발전에 따라 전세계에 통일된 데이터 망이 형성

되면서 음성과 데이터를 IP 네트웍에 통합

VoIP (Voice over Internet Protocol) 서비스란 종래의 회선교환 방식의 전화와는 달리 인터넷 망의 근간인 IP Network 에 음성을 패킷 형태로 전송하는 음성서비스 .

음성을 인터넷망으로 흡수하여 음성 통신 비용 절감

기 구축된 인터넷장비 (Router, Switch 등 ) 를 활용함으로써 구축비용이 상대적으로 저렴함

통화품질의 보장이 관건임

1.2 배경

1995 년 Vocaltec. 社에서 인터넷을 통한 음성통화를 위한 Internet Phone 도입 .

PC_to_PC ( 음성신호를 IP 패킷으로 변환 ).

연결된 두 PC 에는 동종의 소프트웨어가 필요 .

이후 PSTN 과 IP 사이에서 패킷을 변환할 수 있는 Interface 가 필요 .

Gateway 의 기능이 확장 .( 음성신호 IP 패킷 )

PC_to_PC, PC_to_Phone, Phone_to_Phone 가능 .

양쪽 end point 사이에서 동종의 소프트웨어를 사용할 필요가 없음 .

PSTN 망보다 IP 망을 이용한 저렴한 요금 .

( VoIP 발전의 가장 큰 요인이 됨 .)

I. VOIP 개요

1.3 구성요소

Clients (IP Phone, PC, Soft Phone, Analog Phones, Video etc.)

Infrastructure (Switches, Routers, Gateways etc.)

Call Control (Call Manager,Gatekeeper etc.)

Applications (Voice Mail, Unified Messaging, etc.)

I. VOIP 개요

1.4 Internet Phone 분류 PC-to-PC 방식

PC-to-Phone 방식

Phone-to-Phone 방식

INTERNET

PSTN

Gateway

PSTN INTERNET

PSTN

Gateway

PSTN INTERNET

Gateway

PSTNPSTN

I. VOIP 개요

PBXPBX

PBXPBX

Router/GW Router/GW

CallManager CallManager

PSTN

Legacy PSTN Internetworking

Toll Bypass

End-to-End IP Telephony with Application Enablement

Router/GW Router/GW

IP WAN

IP WAN

V V

1.5 VOIP 발전 단계

I. VOIP 개요

VOIP VOIP 기술 특징기술 특징II

2. VOIP 기술 특징2.1 VoIP 관련 기술2.2 VoIP 구현 방식 2.3 VoIP 패킷 포맷2.4 음성 압축 방식2.5 H.3232.6 SIP2.7 QOS

2.1 VoIP 관련 기술 RTP (Real_time Transport Protocol)

실시간 으로 음성 을 송수신하기 위한 트랜스포트층 통신규약 RFC 1889 에 RTCP(RTP control protocol) 와 함께 규정 되어있다 . 자원 예약프로토콜 (RSVP) 와는 달리 라우터 등의 통신망 기기에 의지하지 않고 단말 간에 실행되는 것이특징이다 . RTP 는 보통 사용자데이터그램 프로토콜 (UDP) 의 상위 통신규약 으로 이용된다 . 송신 측은 타임 스탬프 (time stamp) 를 근거로 재생 동기를 취해서 지연이 큰 패킷을 포기할 수 있다 . 또 수신 측에서 전송지연이나 대역폭 등을 점검 , RTC(RTP control protocol) 를 사용해서 송신 측의 상위층 애플리케이션에 통지하는 것으로 부호화 속도 등의 조정을 통해서 서비스품질제어 (QoS) 를 실현할 수 있다 . LAN/ 인터넷 환경에서의 비디오 회의 시스템의 ITU-T 권고 H.323 에 채용되었으며 미국 MS 사의 비디오 회의 소프트 NetMeeting 등이 탑재되어 있다 .

RTCP (Real Time Control Protocol)

II. VOIP 기술특징

2.1 VoIP 관련 기술 ( 계속 ) H.323

H.323 은 멀티미디어 화상회의 데이터를 TCP/IP 와 같은 패킷 교환 방식의 네트웍을 통해 전송하기 위한 ITU-T 의 표준이다 . 여기에는 고품질 비디오를 위한 LAN 표준 , 그리고 28.8 Kbps 정도의 느린 회선을 통해 저주파수 대역의 비디오를 전송하기 위한 인터넷 표준 등이 포함되어 있다 .

SIP (Session Initiation Protocol)

SIP(Session Initiation Protocol) 은 새로운 IETF signaling protocol 로서 , IP네트워크상의 실시간 전화 및 화상을 지원한다 . 대체로 SIP extensions 은 audio Communication 을 어드레스하나 , 각각의 session 은 audio/video 와 같은 상이한 유형의 자료도 포함한다 . 기존의 텍스트 기반의 Internet protocol 로는 HTTP/SMTP 등과 유사하다 . SIP 는 media description 용으로 SDP(Session Description Protocol)를 사용한다 . SIP 는 독자적인 packet layer 이며 , open standard 로 , 사용자의 목적에 맞게 첨가 /제거가 가능하다 . 또한 일반적인 용도로 사용할 수 있도록 고안되었다 . 그러나 SIP extensions 은 interoperability 에 관해 본 protocol 이 제 기능을 할 수 있게끔 해 주어야 한다 . SIP 의 기본적인 기능 중에서 , protocol 은 single, location-independent address 에서 called party 로 이를 수 있는 capability 를 제공함으로서 사용자 개개인의 mobility 를 지원하고 있다 .


PC to PC

최초의 인터넷폰은 PC 와 PC 를 연결해서 마이크와 스피커를 통해 음성을 주고 받는 방식으로 Vocaltec 사에 의해 처음 소개되었다 . 그것은 전화통화를 원하는 두 사람이 같은 시간에 인터넷에 접속하고 Vocaltec 의 동일한 프로그램을 통해 Vocaltec 사의 인터넷폰 서버로 접속하여 상대방을 찾아서 통화하는 방식이었다 . 우선 말하는 사람의 PC 프로그램에서 마이크를 통해 들어온 음성신호(아날로그 )를 디지털화하고 이를 압축하여 H323, RSVP, RTP/RTCP 등의 전송규약 (프로토콜 )을 이용하여 패킷화된 음성을 패킷단위로 인터넷 망을 통해 듣는 사람의 PC 로 보내면 압축을 풀고 디지털화된 것을 음성신호 (아날로그 )로 바꾸어 스피커를 통해 말한 음성이 복원되는 방식으로 통화가 이루어 진다 .

2.2 VOIP 구현 방식


PC to Phone

PC 대 PC 이후에 개발된 것이 PC 와 전화기를 연결하는 방식이다 . 이것은 PC 에 해당 프로그램을 설치하고 인터넷 망에 접속한 후에 특정지역에 설치된 Internet Phone Gateway 를 통해 전화망으로 연결되어서 통화를 하는 방식이다 . 이전의 PC 대 PC 방식이 인터넷방식으로 모든 것이 이루어 지는데 반해 PC 대 전화 방식은 전화를 거는 쪽이 인터넷 방식이고 전화를 받는 쪽은 기존 전화방식으로 통화를 하는 것입니다 . 이때 Internet Phone Gateway 가 해주는 역할은 인터넷과 기존 전화망을 연결시켜 주는 기능을 하게 한다 .

2.2 VOIP 구현 방식 ( 계속 )


Phone to Phone

PC 대 PC 에서 진일보한 방식이 PC 대 전화방식이었으나 이 방식도 기존 전화를 대체하기에는 역부족이었다 . 기존 전화방식을 대체하기 위해서는 전화 대 전화 방식이어야만 하고 그 방식은 앞서 얘기한 PC 대 전화 방식의 PC 쪽을 전화기로 이용할 수 있도록 전화망과 인터넷 망을 연결할 수 있는 Gateway 를 해당 지역에 설치하는 것이다 . 즉 전화망 - 인터넷망 - 전화망 순으로 연결이 되어 전화통화를 할 수 있고 각 망 사이에 망 연결 및 신호감지를 할 수 있는 Gateway 가 설치되면 이 방식이 구현되는 것이다 .

현재 새롬기술 에서 “다이얼패드홈 #서비스” 등 기타 유사한 서비스가 실시되고 있다 .

2.2 VOIP 구현 방식 ( 계속 )


Payload Size 의 경우 가변적이나 대략 20~24Byte Link layer 를 제외하더라도 Payload 에 비해 큰 헤더크기 ( 대략 20Byte 기준으로 2 배의 오버헤드 )

패킷의 크기를 증가시킬 경우 패킷 조립에 의한 대기시간 및 처리시간 증가

헤더의 압축기술 요망

LinkHeader

IP HeaderUDP

HeaderRTP

Header

VoIP Packet

X Bytes20 Bytes 8 Bytes 12 Bytes

Voice Payload

X Bytes

2.3 VOIP 패킷 포맷


2.4 음성 압축방식

음성을 Digital 로 변환하면 8000 번 샘플링을 통해 64kbps의 속도 필요 (PCM)

압축기술의 발달에 따라 다양한 압축방식이 등장

압축 방식 Bit Rate(kbps) MOS Score

G.711 PCM 64 4.1

G.726 ADPCM 32 3.85

G.728 LD-CELP 16 3.61

G.729 CS-ACELP 8 3.92

G.723.1 MP-MLQ 6.3 3.9

G.723.1 ACELP 5.3 3.65


2.5 H.323

LAN 상에서 오디오 , 비디오 및 데이터를 포함하는 멀티미디어 회의시스템 구현에 필요한 프로토콜을 정의

H.323 시스템은 터미널 , 게이트웨이 , 게이트키퍼 , MCU등의 요소들로 구성됨

PSTN

Gatekeeper

VGateway

INTERNET

Terminal


가 . H.323 구성요소

H.323 Terminal

실시간 양방향 통신을 제공하는 Client

MS Netmeeting 등의 인터넷 전화 S/W 를 탑재한 PC

기존 전화기를 LAN 에 접속하는 어댑터장치

NIC 으로 LAN 에 직접 연결되는 전화기

H.323 게이트웨이

기존 PABX 의 음성신호를 IP Packet 으로 변환하며 H.323 Terminal 과 WAN 상의 다른 터미널들간의 실시간 양방향 음성통신을 지원


H.323 게이트키퍼

주소변환 (E.164 전화번호 <-> IP) 및 관리

터미널의 등록과 인증 대역폭 관리 기능

H.323 MCU(Multipoint Control Unit)

터미널이 멀티캐스팅될 오디오 및 비디오 스트림을

MCU 로 보내고 MCU 에서는 이 스트림을 혼합하고

재분배하여 여러 터미널들에게 전송


2.6 SIP(Session Initiation Protocol)

SIP(Session Initiation Protocol) 는 세션 설치 프로토콜로 IETF 의 WG (Working Group) RFC 2543 SIP 의 확장 보안을 표준화한 프로토콜로 응용계층의 Signaling 프로토콜이다 . 하나 이상의 참여자로 구성되는 세션을 생성 , 변경 및 종료하기 위해 사용되며 이 세션은 인터넷 멀티미디어 회의 , 인터넷 전화기의 Call, 멀티미디어 데이터 전송등을 포함한다 .

SIP 은 인터넷 컨퍼런스와 인터넷 텔레포니를 위한 시그널링 프로토콜로써 , 오디오 , 비디오 , 화이트보드 등과 같은 하나 또는 그 이상의 미디어 타입으로 이루어진 멀티미디어 회의 , 인터넷 텔레포니 등에 적용할 수 있다 . SIP 은 IETF MMUSIC WG 에서 개발되어 오다가 IETF SIP WG 를 신설하여 작업을 진행 중에 있으며 , SIP 프로토콜은 1999년 3 월에 RFC2543 로 확정되었다 .



SIP 는 H.323 과 달리 클라이언트 / 서버 방식의 프로토콜로써 시도자가 상대편을 세션에 참석시키기 위하여 호출하는 형태로 전개되는 프로토콜이다 . 또한 멀티미디어 서비스 통신을 위하여 세션에 표현되어야 할 세션 정보들은 SDP(Session Description Protocol) 를 이용하여 기술한다 .

SIP 는 5 종류의 기능 구성요소 즉 , 사용자 에이젼트 클라이언트 , 사용자 에이젼트 서버 , 프로시 서버 , 재지정 서버 , 등록 서버로 정의되어 있다 . 사용자 에이젼트 클라이언트는 SIP 요청을 하는 구성요소이며 , 이에 대한 응답을 하는 것이 사용자 에이젼트 서버이다 . 사용자 에이젼트의 기능은 H.323 게이트웨이와 터미널 기능과 유사한 역할을 한다 .

프록시 서버와 재지정 서버는 H.323 의 게이트키퍼와 유사한 기능을 수행한다 . 등록 서버는 사용자가 SIP 서버에 등록하는 기능을 가진다 . SIP 요청을 서버에서 처리하는 방법으로서 프록시 모드와 재지정 모드가 있다 . 두 방법의 가장 큰 차이는 호출받은 수신자가 다른 곳으로 이동하였을 때 , 새로운 주소로 다시 INIVITE 메시지를 보내는 주체이다 .

즉 프록시 모드는 호 요청을 받으면 어떤 서버로 보낼 것인지 결정하고 , 헤더를 수정한 후 포워딩하는 역할을 한다 . 따라서 수신자의 주소가 이동된 경우에 , 발신자의 메시지를 새로운 주소의 수신자에게 전달해 준다 . 프록시 서버는 사용자 에이젼트 서버와 기능적으로 유사하나 호 제어 상태 정보를 가지고 있지 않다 . 재지정 모드는 SIP 요청에 따라서 새로운 주소를 포함한 RedirectResponse 를 발신자에게 전달함으로써 발신자가 직접 다른 서버에게 호를 재지정하도록 한다 .


2.7 QoS (Quality of Service)

IP 기반의 인터넷망은 Best effort 데이터 전송 서비스 제공하기 때문에 서비스의 고품질을 보장하지 못함

VOIP 구현을 위해 IP 네트웍상의 QoS 보장은 필수임

QoS 보장은 일반적으로 두가지로 구분

자원예약 : 망 자원은 응용의 QoS 요구에 따라 할당됨 (RSVP)

우선순위 : 망 트래픽은 대역폭 관리 정책에 따라 분류되어 분배됨 (TOS)


가 . RSVP (ReSource reserVation Protocol)

IETF signaling protocol– 대역폭 보장

Flow 는 End-to-end 까지 signalling 에 의해 정적 대역폭을 할당받음 Basically Reserves Queue Space

AdmitOne

End Points Send Unicast Signaling Messages (RSVP PATH + RESV)

RSVP PATH Message

RSVP RESV Message

RSVP 가 지원되지 않으면Best effort 로 delivery 함

FXS FXS


나 . IP Precedence & 802.1p

Layer 2 의 경우 end-to-end 는 보장할 수 없으나Layer 3 는 end-to-end 까지 트래픽의 우선순위 제공함

VersionLengthVersionLength

ToSToS1 Byte1 ByteToSToS

1 Byte1 Byte LenLen

Standard IPV4: 3bit IP Precedence

Layer 3 IPV4

IDID offsetoffset TTLTTL ProtoProto FCSFCS IP-SAIP-SA IP-DAIP-DA DataData

PREAM.PREAM. SFDSFD DADA SASA TAGTAG4 Bytes4 Bytes

TAGTAG4 Bytes4 Bytes

PTPT DATADATA FCSFCS

3bit CoSLayer 2 Layer 2 802.1Q/p802.1Q/p

DataPacket


다 . Fragmentation

상대적으로 Voice packet 에 비해 데이터가 큰 byte 수를 가짐

(FTP > 1000Byte, Voice =20Byte)

즉 , Burst 한 LAN 트래픽 발생시 Voice packet 의 지연을 초래함

Congestion 예상지역에 Fragmentation 을 적용하여 delay 를 줄여 Qos 를 보장함 ( 음성패킷의 end-to-end delay 가 150ms 이내가 되는것이 바람직함 )

Frame-Relay 의 경우 , FRF.12 를 통해 Fragmentation 방식 정의


Frame Size

LinkSpeed

Fragmentation 적용 기준

768Kbps 이상에서는 Fragmentation 은 그다지 중요하지 않음


1Byte

64Bytes

128Bytes

256Bytes

512Bytes

1024Bytes

1500Bytes

56kbps 143us 9ms 18ms 36ms 72ms 144ms 214ms


128kbps 62.5us 4ms 8ms 16ms 32ms 64ms 93ms


512kbps 15.5us 1ms 2ms 4ms 8ms 16ms 23ms

768kbps 10us 640us 1.28ms 2.56ms 5.12ms 10.24ms 15ms

1536kbs 5us 320us 640us 1.28ms 2.56ms 5.12ms 7.5ms

VOIP VOIP 적용 사례적용 사례III



V

SiSi SiSi

SiSi

QoS

V V

V

V

V

IGX

PBX

C3640

C7500

C7500

C4700C2600

C2600FXS

E&M

E&M

본부

원격지점

지점

지부

III. VOIP 적용사례

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