Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 103 VoIP als Teil einer Gesamt-Kommunikations-Konzeption

Autor / Redakteur: Dr. Franz-Joachim Kauffels / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

Moderne Telefonie-Lösungen lassen sich in keinem Fall auf die Simple Übertragung von Sprache reduzieren, sondern es muss größter Wert darauf gelegt werden, dass Telefonie Teil einer Gesamt-Kommunikations-Konzeption für die Unterstützung der wertschöpfenden Prozesse eines Unternehmens wird. Dabei ist ein immenses Bündel von Funktionen und Abhängigkeiten zu berücksichtigen, die wir in diesem Teil kurz streifen werden.

Genormte Signalisierung ist das A und O bei der Voice-over-IP-Kommunikation; Bild: Cisco / Dr. Franz-Joachim Kauffels
Genormte Signalisierung ist das A und O bei der Voice-over-IP-Kommunikation; Bild: Cisco / Dr. Franz-Joachim Kauffels
( Archiv: Vogel Business Media )

Um zu sehen, was eine IP-Telefonie-Lösung leisten muss, sollte man zunächst auf die grundsätzlichen Funktionen einer herkömmlichen modernen PBX schauen. Jede sinnvolle PBX hat ein modulares Konzept für den stufenweisen Ausbau.

Intern werden analoge und digitale Schnittstellen bereitgestellt, weil immer noch längst nicht alle Telefone rein digital sind. Moderne Anlagen unterstützen ISDN mit internen und externen S0, sowie externen S2M-Primär-Multiplex-Schnittstellen.

In letzter Zeit hat auch die Einbindung mobiler Geräte an Bedeutung gewonnen, hier werden mindestens Geräte nach dem DECT-Standard lokal und mit ausgelagerten Basisstationen unterstützt, oft aber auch Anbindungen zu Mobilfunknetzen, die in ihrem Funktionsumfang über eine einfache Verbindung zum entsprechenden Provider hinausgehen können.

Alle PBXn haben proprietäre Schnittstellen zu baugleichen oder ähnlichen Anlagen des gleichen Herstellers. Darüber hinaus hat sich aber der Standard QSIC etablieren können, der für Anlagen- und Rufnummernverbund, Signalisierung der Identität eines Anrufers und Weiterleitung von Funktionsmerkmalen wie Rufumleitung, Rückruf usw. zuständig ist.

Außerdem wird die TAPI-Schnittstelle für die externe Zusatzprogrammierung unterstützt. Meist vorhandene Zusatzfunktionen beziehen sich auf Anschlüsse für Musikquellen und unterschiedliche Möglichkeiten zum Konfigurations- und Überwachungs-Management einschließlich der Fernwartung. Schließlich können Anlagen auch so konfiguriert werden, dass sie von mehreren Firmen gleichzeitig benutzt werden können.

Pflicht-Features

Eine moderne Nebenstellenanlage hat eine Reihe von Telefonie-Grundfunktionen und zusätzlichen Funktionen, die man auch erwarten kann, wenn die Implementierung letztlich über ein IP-Netz erfolgt:

  • Anrufumleitung
  • Durchsage an Teilnehmer/Gruppe
  • Gegensprechen
  • Heranholen einer Verbindung
  • Rückruf
  • Anklopfen
  • Konferenz
  • Makeln
  • Rückfrageverbindung mit Halten des aktuellen Gespräches
  • Rufunterscheidung intern/extern
  • Amtsberechtigung konfigurierbar
  • Tag-/Nacht-/Wochenendschaltung
  • Freisprechen/Lauthören/Raumkonferenz
  • Chef-/Sekretärin (Anzeige des Anrufs am Cheftelefon, Übernahmemöglichkeit, erste Rufe Sekretärin, weitere direkt zum Chef, Direktruftaste für Sekretariat, Chefgruppen, Teilen eines Sekretärinnenarbeitsplatzes von mehreren Chefs, Umleitung in ein anderes Sekretariat bei Vertretung
  • Teamfunktionen (Freie Definition von Teams, Klingelweiterleitung, Anzeige der Betriebssituation der anderen Apparate für jedes Team-Mitglied)
  • PIN wie beschrieben für Teilnehmererkennung
  • Softphone für PC
  • Kompression

Darüber hinaus gibt es noch eine Menge weiterer Möglichkeiten, deren Sinnfälligkeit natürlich vom Anwendungsszenario abhängt. Zunächst wäre die Voice Mail zu nennen, ein systematisierter Anrufbeantworter. Hier ist technisch interessant, wie viele Nachrichten er insgesamt und pro Teilnehmer aufnehmen kann und wie lange die maximale Sprechdauer ist.

Die Meldung an einen Teilnehmer, dass ein Voice Mail eingegangen ist, kann durch Anruf auf eine vorgegebene Nummer, durch eine LED-Anzeige am Apparat, aber neuerdings auch durch die Versendung einer SMS auf ein Handy vorgenommen werden. Das Unified Messaging wandelt darüber hinaus Sprachnachrichten selbsttätig zu E-Mails um (und umgekehrt) und versendet diese an eine oder mehrere vorkonfigurierte Adressen.

ACD und CTI

Für die Verwendung in Call Centern sind die Funktionen ACD und CTI interessant. Bei ACD (Automatic Call Distribution) wird der Anrufer gemäß seiner Eingaben auf Teilnehmer bzw. Teams geschaltet. Man kann eine Nachbearbeitungszeit für jeden Call definieren. Nach Beendigung eines Anrufs wird in dieser Zeitspanne kein anderer Anruf auf den betreffenden Apparat mehr vermittelt, damit der Mitarbeiter ungestört Aufzeichnungen pflegen kann. Alle Teammitglieder können die Situation der anderen Teammitglieder sehen. Eingehende Anrufe werden in einer Warteschlange zwischengepuffert, aus der sie jederzeit abrufbar sind. Die Teammitglieder sehen die Warteschlange und können sie gezielt entleeren.

CTI (Computer Telephony Integration) ist eine Anwendung auf Basis TAPI (Telephony Application Programming Interface). Hier wird vorausgesetzt, dass ein Mitarbeiter nicht nur ein Telefon, sondern auch einen PC hat – in der Regel wird es gar kein Telefon mehr geben, sondern der PC wird mit Soundkarte und Headset ausgestattet sein. Ein Agent auf einem Teilnehmersystem startet bei einem eingehenden Anruf eine vordefinierte Anwendung, welche mit den Mitteln des jeweiligen CTI-Produktes gestaltet werden kann. Man kann auch Anrufe aus einer Applikation heraus starten.

Schließlich hat eine Nebenstellenanlage je nach Größe und Komplexität noch weitere Möglichkeiten. Generell wünschenswert und meist implementiert ist eine Gebührenerfassung, sowohl für die Gespräche nach außen als auch intern. Bei der Vielfalt der unterschiedlichen Anbieter wäre für Ferngespräche ein Least Cost Routing wünschenswert. PBXn werden zusätzliche Elemente für die Steigerung von Redundanz und Verfügbarkeit bei den Netzteilen, Einschubkarten und hinsichtlich der Gesamtanlage haben. Eine LDAP-Schnittstelle für Export- und Import von Konfigurationsdaten ist praktisch.

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Vernetzung mehrerer PBXn

Hat man in einer großen Organisation mehrere PBXn, müssen diese zusammengeschaltet werden. Auch hierfür benutzen die Hersteller meist proprietäre Systeme. Realisiert man die Vernetzung von PBX-Teilen über ein offenes Netz, so muss man sich Gedanken über die notwendige Bandbreite, die Entfernung, die Weitergabe der Signalisierung und schließlich über die Redundanz machen Die Unterstützung eines zentralen Telefonverzeichnisses ist notwendig.

Um diese ganzen Funktionen umzusetzen, bedarf es einer Vielzahl von Steuersignalen neben der eigentlichen Sprachübertragung. Diese Steuersignale werden zusammen mit den dahinter liegenden Prozeduren als Signalisierung bezeichnet. Die Signalisierung war in der Vergangenheit stark herstellerspezifisch, lediglich die allernötigsten Grundfunktionen zum reinen Telefonieren sind standardisiert.

Allerdings kommt hier mittlerweile Bewegung rein und auch höherwertige Funktionen unterliegen Normungs-Aktivitäten. IP-Telefonie-Hersteller wie Cisco Systems verlangen komplett offene und genormte Lösungen. Das ist nicht weiter überraschend, weil man sonst natürlich auch in Zukunft Probleme mit der Kommunikation zu anderen Anlagen haben wird bzw. viele Sonderfälle berücksichtigen muss, was enorm hohe Entwicklungskosten nach sich zieht.

CCITT/ITU Standard H.323, SIP, SGCP und MGCP

Im Zentrum des Interesses steht hier der CCITT/ITU Standard H.323. Weitere Aktivitäten sind SIP als Vereinfachung von H.323, sowie SGCP und MGCP der IETF, vorgebracht von Cisco und Bellcore.

H.323 wird zwar meist als Standard für das Video-Conferencing angesehen, aber in Wahrheit ist es ein allgemeiner Standard für die bidirektionale Echtzeitkommunikation von LAN-Endgeräten. Die Sprache ist dabei funktionaler Mindestumfang, Daten und Video sind optional. In einer Implementierung sind die H.245-Unterstützung für das Aushandeln von Kanalumfang und Nutzungsmerkmalen, Q.931 für Signalisierung und Verbindungsaufbau, RAS (Registration/Admission/Status) als Kommunikation mit einem Gatekeeper und die Unterstützung von RTP/RTCP (Rapid Transfer Protocol, Rapid Transfer Control Protocol) mindestens erforderlich. Optional können Video-Codecs und weitere Protokolle eingesetzt werden. Ein wichtiges Element ist der sog. Gatekeeper, der innerhalb einer sog. H.323-Zone die Zuordnung symbolischer LAN-Namen für Terminals und Gateways zu IP- bzw. IPX-Adressen sowie das Bandbreitenmanagement, mit dem die maximale Anzahl von Verbindungen über ein LAN kontrolliert werden kann, vornimmt.

Der Gatekeeper kann in verschiedener Art und Weise realisiert sein, z.B. in einem Endgerät oder in einem Gateway. Der Aufbau einer logischen Verbindung ist insgesamt relativ komplex.

Dennoch gibt es einen Standard, der aus purer Notwendigkeit entstanden ist: QSIC. Er klärt die Zusammenschaltung normaler PBX-Anlagen mit IP-Lösungen zu einem Anlagenverbund. QSIC enthält eine Unmenge teilweise sehr alter Teilstandards und ist noch vollständig nach dem ISO-OSI-Modell strukturiert. Einen Durchbruch hinsichtlich der Standardisierung hat das SIP-Protokoll (Session Initialization Procedure) erzielt.

Verschiedene Hersteller bieten heute schon IP-basierte Nebenstellenanlagen an. Die Implementierung der grundsätzlichen Funktionen in der Anlage ist aber eigentlich nicht die primäre Frage, sondern problematisch sind vor allem die Anforderungen an das IP-Netz selbst.

Kommen wir zunächst zur Verzögerung. Delay gibt es nicht nur, wie viele zunächst denken, im Netz, sondern natürlich auch in den peripheren Einrichtungen (IP-Telefone) und den Vermittlungseinrichtungen. Es gibt feste und variable Verzögerungen. Codierung und Paketbildung können z.B. 25 ms feste Verzögerung nach sich ziehen. Jede Art von Vermittlungseinrichtung arbeitet mit Schaltverzögerung.

Das Netz selbst kann Verzögerungen im Bereich einiger Dutzend ms beinhalten, dabei gibt es einen festen Anteil, der immer zu berücksichtigen ist, und vorwiegend von der zu durchlaufenden Entfernung abhängt und einen variablen Anteil, der z.B. von der Gesamtlast des Netzes abhängt. Dies kann sich z.B. im Bereich von 20 – 100 ms abspielen. Wir haben eingangs davon gesprochen, dass ankommende Datenpakete zwischengepuffert werden müssen, um die unterschiedlichen Abstände zwischen ihnen auszugleichen. Auch dieser Vorgang zieht eine Verzögerung in der Größenordnung einiger Dutzend ms, sagen wir 30 – 80 ms, nach sich. In diesem Beispiel liegt das Delay also insgesamt zwischen 80 und 210 ms.

Die Frage ist nun: Wie hoch darf das Delay sein, um eine Lösung zu erhalten, die wirklich als Business-Ready bezeichnet werden kann? Dies ist Gegenstand aufwendiger Studien, hängt aber letztlich sehr vom individuellen Gefühl ab. Manche Teilnehmer empfinden 300 ms schon als wesentlich störend, weil das Gespräch dann nicht mehr wirklich interaktiv sei, besonders empfindliche Benutzer stoßen schon bei 200 ms an diese Schmerzgrenze, während andere Benutzer bei 500 oder mehr ms immer noch keine Probleme haben. Vergleichsweise sei gesagt, dass normale PBXn mit Verzögerungen zwischen 50 und 100 ms arbeiten, also weit unter der Schmerzschwelle empfindlicher Benutzer.

Als Konsequenz muss man sagen, dass im LAN überwiegend keinesfalls mehr als 40 ms Verzögerung hingenommen werden dürfen, weil ja außerhalb des Netzes weitere Verzögerungen entstehen. Dies ist mit herkömmlichem Shared Medium Ethernet nicht zu erreichen, da es hier zu Verzögerungen zwischen 20 und 200 ms kommt.

Also wird man eher in Richtung 100 Mbps oder Gigabit Switched LANs gehen.

weiter mit: Stromversorgung der IP-Telefone

Stromversorgung der IP-Telefone

Ein Grundproblem ist die Stromversorgung der IP-Telefone, falls diese nicht als PC-Softphone ausgeführt sind. Nachteile von Softphones sind vor allem die Notwendigkeit, den PC eingeschaltet haben zu müssen, um zu telefonieren und daraus folglich keine Eignung für den Notfall im Falle des Stromausfalls.

Man wird also auch ganz normale Telefone einsetzen, die eben IP-Pakete auf die Leitung schicken, sonst aber so zu bedienen sind wie gewöhnliche Apparate. Zwei Dinge sind grundsätzlich zu verwerfen: lokale Stromversorgung und Akkus. Eine lokale Stromversorgung bedeutet eine Vielzahl kleiner Netzteile und die Belegung eines 220V Steckers durch ein Telefon. Dies ist ein klarer Rückschritt gegenüber bisherigen Telefonen. Akkus sind noch bedenklicher, weil sie in ordentlichen Zyklen geladen werden müssen und nach einer gewissen Betriebszeit von einigen Jahren ausgetauscht werden müssen, weil sie nicht mehr richtig funktionieren. Sie stellen dann Sondermüll dar. Der organisatorische Aufwand ist völlig untragbar. Auch bei der Verwendung von Akkus müssen letztlich kleine Netzteile zur Anwendung kommen, die eine Erhöhung der Brandgefahr darstellen.

Also müssen IP-Telefone über die Netzwerk-Anschlusskabel mit Strom versorgt werden. Das sieht zunächst harmlos aus, ist es aber keineswegs. Bezogen auf das individuelle Kabel stellt sich die Frage, inwieweit die Eigenschaften des Kabels durch eine Niedervolt-Spannungsübertragung, sei es auch mit noch so geringer Leistung, negativ beeinflusst werden.

Wir sollten daran denken, dass viele Kabelsysteme, insbesondere Kat.5-Kabelsysteme heute an der absoluten Grenze ihrer Leistungsfähigkeit betrieben werden. Die Materialien derartiger Kabelsysteme sind auf die hochfrequente Datenübertragung ausgelegt. Die Kupferleiter könnten sich bei der Übertragung von Leistung erwärmen, die langfristigen Effekte dieser Erwärmung sind absolut nicht abzusehen, insbesondere kann man damit rechnen, dass die Isolationsmaterialien brüchig werden, weil durch die dauernde zusätzliche Erwärmung die Weichmacher aus den Kunststoffen, die ja für deren Elastizität sorgen, früher ausgeschieden werden als dies ursprünglich geplant wurde.

Selbst wenn solche Effekte nicht zwangsweise auftreten müssen, ist es dennoch äußerst unbefriedigend, mit einer solchen Unsicherheit leben zu sollen. Außerdem, es gibt Hersteller wie Lucent, die auf ihr gesamtes Verkabelungssystem eine Garantie geben, die sich auch auf die Einhaltung von EMV-Bestimmungen bezieht. Wenn Sie nun ein solches Kabelsystem zusätzlich mit der Leistungsversorgung von IP-Telefonen belasten, könnte es sein, dass die Garantie diesbezüglich verfällt, weil die Parameter von Ihnen geändert wurden.

Aber damit nicht genug: Das dicke Ende kommt nämlich im Verteilerraum. Hier muss die Leistung für die Versorgung Hunderter oder Tausender IP-Telefone bereitgestellt werden. Wegen der hohen Verluste auf den dünnadrigen Datenleitungen muss um ein Vielfaches mehr Leistung bereitgestellt werden, als tatsächlich verbraucht wird, die Differenz dient ja wie bereits gesagt, zur Beheizung der Datenleitungen.

Die Stromversorgung muss durch einen Switch erfolgen, da ja an ihm alle Leitungen zusammenlaufen. Irgendwo zwischen Endgerät und Switch muss differenziert werden, ob das Endgerät nun z.B. ein PC ist und keinen zusätzlichen Strom bekommen darf, weil die Adapterkarte sich dann verabschieden könnte oder ob das Endgerät ein IP-Telefon ist und Strom haben muss, weil es sonst nicht arbeiten kann. Nehmen wir einmal an, diese Frage würde von den Herstellern befriedigend gelöst. Dann reduziert sich das Problem auf das Netzteil im Switch. „Die paar Telefone ...“ werden manche Leser jetzt denken.

Power over Ethernet

Mittlerweile hat sich für diese Zwecke der Standard PoE (Power over Ethernet) als Erweiterung von IEEE 802.3 etabliert. Er regelt genau, wie Datenleitungen zusätzlich zur Stromversorgung genutzt werden können. Das funktioniert, ist aber in seiner Energiebilanz eine Katastrophe.

Cisco Systems verwendet z.B. bei der Reihe 6000 Netzteile von ca. 1 KW. Das ist für einen solchen Switch schon recht üppig. Die Reihe 6000 kann man so aufrüsten, dass auch IP-Telefone mit versorgt werden. Dann benötigt man aber mindestens ein Netzteil von 2.500 Watt und es geht herauf bis 18.000 W! Damit kann man heizen, und das tut man dann auch im Verteilerraum. Diese Leistung kann man im Falle eines Stromausfalles nicht aus einem Akku zaubern, sondern für den Technikraum muss eine entsprechend leistungsfähige USV vorgesehen werden. Die Mehrkosten für eine solche USV gegenüber der Situation mit reinen Switches ohne Telefonie werden in kaum einer Modellrechnung wirklich aufgegriffen. Abgesehen davon merkt man das auch an der Stromrechnung!

Und wenn man schon einmal dabei ist, wird man auch die Klimaanlage neu dimensionieren müssen, gegebenenfalls wird durch die Hinzunahme von IP-Telefonie eine Klimaanlage erst fällig. Soviel zu Risiken und Nebenwirkungen. Sehen Sie jetzt, warum man nicht mit einer einfachen „IP-Telefonie ist ja sooo preiswert ...“-Rechnung auskommt?

Verfügbarkeit

Ein weiteres Problemfeld ist die Verfügbarkeit. Generell muss man sagen, dass alte PBXn mit ihrer anspruchslosen Verkabelung sehr hoch verfügbar sind. Möchte man dies durch LANs erreichen, muss man an diesen noch heftig arbeiten, damit sie auch nur annähernd eine derartige Verfügbarkeit erreichen. Dadurch dass verschiedene Elemente untereinander verkettet werden, und die Verfügbarkeit nur das Produkt der Einzel-Verfügbarkeiten sein kann, ist die Verfügbarkeit einer einzelnen PBX mit der heutigen LAN-Technik nicht erreichbar, sondern wird deutlich darunter liegen. So oder so sind die Kosten für ein entsprechendes Design / Re-Design sehr hoch.

Alle diese Probleme sind gelöst. Was bleibt, ist die ungeheure Energieverschwendung durch die Stromversorgung von Endgeräten durch Datenleitungen, die hierfür nicht physikalisch ausgelegt sind und einen enormen Innenwiderstand haben, dessen Überwindung dazu führt, dass der größte Teil der Energie in Wärme umgesetzt wird.