Voice over IP

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Voice over IP (Voce tramite protocollo Internet), acronimo VoIP, è una tecnologia che rende possibile effettuare una conversazione telefonica sfruttando una connessione Internet o un'altra rete dedicata che utilizza il protocollo IP, anziché passare attraverso la rete telefonica tradizionale (PSTN). Ciò consente di eliminare le relative centrali di commutazione e di economizzare sulla larghezza di banda occupata. Vengono instradati sulla rete pacchetti di dati contenenti le informazioni vocali, codificati in forma digitale, e ciò solo nel momento in cui è necessario, cioè quando uno degli utenti collegati sta parlando.

Fra gli altri vantaggi rispetto alla telefonia tradizionale si annoverano:

minore costo per chiamata, specialmente su lunghe distanze;
minori costi delle infrastrutture: quando si è resa disponibile una rete IP nessun'altra infrastruttura è richiesta;
nuove funzionalità avanzate;
l'implementazione di future opzioni non richiederà la sostituzione dell'hardware.

Le conversazioni VoIP non devono necessariamente viaggiare su Internet, ma possono anche usare come mezzo trasmissivo una qualsiasi rete privata basata sul protocollo IP, per esempio una LAN all'interno di un edificio o di un gruppo di edifici. I protocolli usati per codificare e trasmettere le conversazioni VoIP sono solitamente denominati Voice over IP protocols.

Indice

1 Uso di VoIP da parte dei grandi gruppi e delle compagnie telefoniche
2 Protezione delle chiamate vocali contro le intercettazioni
3 Problemi aperti
4 Altri problemi e soluzioni proposte
5 Protocolli VoIP
6 Mercato di massa della telefonia su connessioni internet veloci
7 Voice Over IP su connessione analogica e ISDN
8 Voci correlate
9 Altri progetti
10 Collegamenti esterni

[modifica] Uso di VoIP da parte dei grandi gruppi e delle compagnie telefoniche

A tutt'oggi le installazioni di reti VoIP in edifici terziari ed abitazioni civili sono poche, mentre le grandi corporation utilizzano sempre più spesso la telefonia IP, realizzando reti telefoniche dedicate per collegare fra di loro le proprie sedi, previa conversione a valle delle stazioni di commutazione dei normali segnali analogici in entrata in pacchetti IP, e viceversa per le comunicazioni in uscita. In questo modo, di fatto, realizzano una rete digitale interna al gruppo, che si presta molto bene ad essere modificata ed adattata per fornire i più disparati tipi di servizi.

Ciò si basa anche su una tecnologia emergente, denominata data abstraction, mediante la quale dall'analisi dei dati trasmessi su una linea, è possibile dedurre le caratteristiche del dispositivo che ha stabilito la comunicazione (ad esempio il tipo di display, i pulsanti di comando, ecc.) e di configurare i servizi messi a disposizione in funzione di queste caratteristiche. I centri di assistenza telefonica delle grandi compagnie spesso usano la telefonia IP proprio per sfruttare le possibilità offerte da questa nuova tecnologia.

Un altro vantaggio deriva dal poter unificare la tipologia di connessione e di utilizzare in modo ottimale la larghezza di banda disponibile. VoIP inoltre è correntemente usato negli USA per instradare traffico da e per telefoni dalla rete nazionale PSTN (Public Switched Telephone Network).

VoIP è anche largamente utilizzato dalle compagnie telefoniche, specialmente nei collegamenti internazionali. Per gli utenti questo utilizzo è completamente trasparente, nel senso che non si accorgono che le loro chiamate sono instradate su una rete IP anziché passare attraverso le normali centrali di commutazione. Telecom Italia, per esempio, instrada su IP una percentuale significativa delle telefonate interurbane fra Milano e Roma (circa il 60%, dato del 2005). Le stesse compagnie utilizzano VoIP per abbattere i costi delle proprie chiamate interne, instradate attraverso la rete dati che collega gli uffici e le sedi interne. Inoltre riducono i costi delle chiamate verso l'esterno trasportandole, via rete, fino al punto più vicino alla centrale di commutazione.

Alcune compagnie offrono un gateway (letteralmente via d'uscita) per connettere una rete VoIP alla normale rete commutata. Se si compone un normale numero telefonico, la chiamata viene instradata attraverso la connessione internet alla compagnia che gestisce il gateway, che provvederà ad effettuare il normale addebito del relativo costo. A volte le compagnie telefoniche sono anche proprietarie dirette del gateway, ed in questo modo realizzano un ulteriore risparmio.

[modifica] Protezione delle chiamate vocali contro le intercettazioni

Il VoIP può offrire un significativo vantaggio per la tutela della privacy. Infatti in molte implementazioni VoIP il traffico vocale viaggia direttamente tra i terminali dei due utenti, e non attraversa una struttura di centrali di commutazione, su cui si ha la possibilità di installare un sistema di intercettazione. Tuttavia questo non è sempre vero, talvolta per motivi tecnici e altre volte per le pressioni degli organi di polizia sui gestori di sistemi VoIP perché permettano l'intercettazione delle chiamata VoIP.

Inoltre, utilizzando una connessione via Internet è possibile adottare una comunicazione sicura, con crittografia a chiave asimmetrica e firma digitale, che impediscono a terzi di intercettare la conversazione e manipolarla (a meno che siano in possesso di una grande potenza di calcolo).

[modifica] Problemi aperti

Le reti IP non dispongono di per sé di alcun meccanismo in grado di garantire che i pacchetti di dati vengano ricevuti nello stesso ordine in cui vengono trasmessi, né alcuna garanzia relativa in generale alla qualità di servizio. Le attuali applicazioni nel mondo reale della telefonia VoIP si trovano a dover affrontare problematiche legate a problemi di latenza (sostanzialmente si deve ridurre il tempo di transito e di elaborazione dei dati durante le conversazioni) e di integrità dei dati (prevenire perdite e danneggiamenti delle informazioni contenute nei pacchetti).

Il problema di fondo della tecnologia VoIP è la corretta ricostruzione dei pacchetti di dati ricevuti, tenuto conto del fatto che durante la trasmissione può cambiare la sequenza dei pacchetti e che alcuni pacchetti possono aver subito perdite o danneggiamenti delle informazioni contenute, e assicurare così che lo stream audio (flusso audio) mantenga la corretta coerenza temporale. Altro importante problema è mantenere il tempo di latenza dei pacchetti sufficientemente basso, in modo che l'utente non debba aspettare troppo tempo prima di ricevere le risposte durante le conversazione.

L'utilizzo del VoIP consente una tariffazione delle chiamate che è indipendente dalla durata (tariffa Internet flat) e, se il destinatario è un computer, dal luogo chiamato (locale o internazionale). Costituisce, dunque, un consistente risparmio per le utenze e per le stesse compagnie telefoniche quando devono impegnare (e pagare) reti proprietarie di altri gestori.

[modifica] Altri problemi e soluzioni proposte

Alcuni router possono essere configurati per distinguere via hardware i pacchetti VoIP dagli altri, ed assegnare di conseguenza ad essi una priorità maggiore.
È possibile memorizzare in un buffer i pacchetti, per rendere la trasmissione più asincrona, ma ciò può tradursi in un aumento del tempo di latenza, simile a quello delle trasmissioni satellitari.
Il gestore della rete dovrebbe garantire una larghezza di banda sufficientemente ampia, per ridurre il tempo di latenza e le perdite di dati. Tuttavia ciò, mentre è relativamente facile nelle reti private, è molto più difficile quando si usa internet come mezzo trasmissivo.
Con velocità minori di 256 kbit/s possono aversi problemi di jitter (letteralmente nervosismo, tecnicamente errore nella base dei tempi quando un campione digitale è convertito in segnale analogico). Infatti, su reti lente, il ritardo di trasmissione diventa rilevante, e di conseguenza i protocolli di VoIP utilizzano pacchetti più piccoli della dimensione massima (generalmente 1500 bytes). Altri protocolli basati tipicamente su TCP, usano invece normalmente pacchetti di dimensione massima. Se un pacchetto di una connessione VoIP arriva al commutatore mentre è in trasmissione un pacchetto di dimensione massima appartenente ad un'altra connessione, subirà un ritardo importante, e soprattutto non costante.

[modifica] Protocolli VoIP

La tecnologia VoIP richiede due tipologie di protocolli di comunicazione in parallelo.

Il primo è per il trasporto dei dati (pacchetti voce su IP): in tal caso, nella grande maggioranza delle implementazioni di VoIP, viene adottato il protocollo RTP (Real-time Transport Protocol).

Esistono poi altri protocolli per la codifica della segnalazione della conversazione (ricostruzione del frame audio, sincronizzazione,ecc.) che utilizzano altri tipi di protocolli alternativi:

SIP (Session Initiation Protocol) della IETF
H.323 della ITU
Skinny Client Control Protocol, protocollo proprietario della Cisco
Megaco (conosciuto anche come H.248) e MGCP
MiNET, protocollo proprietario della Mitel
Inter Asterisk Xchange, (soppiantato da IAX2) usato dai server Asterisk open source PBX e dai relativi software client
XMPP, usato da Google Talk. Inizialmente pensato per l'IM ora esteso a funzioni Voip grazie al modulo Jingle

[modifica] Mercato di massa della telefonia su connessioni internet veloci

Recentemente si è assistito ad un rapido sviluppo di mercato della telefonia VoIP, e dei servizi ad essa collegati, resa possibile dalla crescente diffusione delle connessioni internet veloci, dette anche a banda larga, con abbonati che inviano e ricevono chiamate in modo del tutto analogo a quello con cui il servizio veniva erogato attraverso la vecchia rete analogica commutata. Per connettere un telefono analogico tradizionale con la connessione Internet a banda larga è necessaria un'interfaccia, denominata ATA (Analog Telephone Adapter). Negli USA alcune compagnie utilizzano VoIP per effettuare chiamate senza limiti di tempo all'interno degli stessi USA, e, a volte, verso il Canada e alcuni paesi europei ed asiatici, applicando tariffe mensili di tipo flat. In ogni caso, allo stato attuale, la telefonia VoIP è destinata ad affiancarsi a quella analogica tradizionale, piuttosto che a rimpiazzarla. Una delle limitazioni attuali, ad esempio, è l'impossibilità di instradare automaticamente le chiamate di emergenza.

Un'altra sfida per questi servizi è la corretta gestione delle chiamate verso l'esterno da apparecchi fax, ricevitori per la televisione satellitare, modem o FAXmodem, ed altri oggetti simili che dipendono dall'accesso a linee telefoniche per alcune o tutte delle loro funzionalità. Per ora, questo tipo di chiamate riesce, ma potrebbe essere impedito del tutto in alcuni casi. Questo problema può essere risolto grazie all'uso di connessioni VoIP nel caso in cui la velocità di trasmissione sia abbassata a bit al secondo. Se le tecnologie VoIP e cellulari prenderanno il sopravvento su quelle odierne, alcuni produttori dovranno rivedere e ridisegnare i loro prodotti, poiché verranno resi obsoleti dalle nuove tecnologie in primo luogo negli Stati Uniti ed in Canada.

[modifica] Voice Over IP su connessione analogica e ISDN

Le tecnologie di compressione della voce dedicano una banda che varia dai 4 kbit/sec. agli 82 kbit/sec. nei formati di compressione meno efficienti. Ad esempio il GSM codifica la voce con algoritmo RPE-LTP (Regular Pulse Exitation - Long Term Prediction) con LPC loop e campionamento a 13 kbit/s. Esiste un encoder della voce a 13 kbit/s.

La voce umana ha uno spettro di circa 2,7 KHz che, per il teorema di Shannon – chiamato anche disuguaglianza di Nyquist -, richiede una larghezza di banda di almeno 5,4 KHz. Secondo tale teorema è possibile ricostruire correttamente un segnale continuo, variabile nel tempo, da una serie di valori discreti quando questi sono stati presi con una frequenza di campionamento pari o superiore al doppio della massima frequenza contenuta nel segnale in ingresso. Ad un segnale analogico di X Hz di banda corrisponde un segnale digitale di 2*X*N bit/sec, dove N è il numero di bit usati per misurare ogni campione: per la voce si avrebbe 4000*2*8=64 kbit/s (c'è un certo margine rispetto ai 2,7 KHz), guarda caso la velocità delle linee ISDN.

Tuttavia, con i formati di compressione diventa possibile ridurre drasticamente la banda richiesta, la compressione interviene dopo la digitalizzazione della voce e prima del suo invio. Non è infatti possibile comprimere un segnale analogico.

Esistono frequenze del segnale digitali anche superiori alla frequenza della voce naturale; il segnale analogico rimane il limite da raggiungere per il campionamento digitale, la frontiera con la qualità dell'audio migliore.

Un segnale analogico ha una qualità in generale maggiore di uno digitale ed è il massimo e il riferimento da raggiungere. Frequenze di digitalizzazione superiori hanno un'utilità limitata perché non aggiungono informazione al segnale di partenza, come la copia non può essere migliore dell'originale.

Per la trasmissione di video le tecnologie attuali (RealAudio e Windows Media Player) richiedono una larghezza di banda di almeno 50 kbit/sec., per evitare il flickering delle immagini, che tradotto in Italiano vuol dire pressappoco “esaurimento nervoso di chi le guarda” [comunque in Italiano quando un audiovisivo digitale ha problemi si dice che "squadretta"]^{[citazione necessaria]}.

Con tale frequenza di campionamento per la conversione del segnale analogico della voce in uno digitale è possibile l'invio di traffico voce su Internet. Le connessioni analogiche raggiungono velocità di 56 kbit/sec. solamente per il download di pagine internet. Per il download di altri file o il downstream della voce la velocità massima è 33 kbit/sec. Anche l'upstream del 56 K è 33.6 Kbit/s.

Una chiamata via Internet richiede una banda maggiore della frequenza di campionamento della voce sia in upstream che in downstream, essendo la comunicazione telefonica bidirezionale (full duplex).

Altrimenti almeno uno dei due interlocutori riceve i pacchetti nell'ordine scorretto e ascolta in pratica parole senza senso, sillabe non nella giusta sequenza.

Mentre per dati quali bit di pagine internet o di file scaricati, il modem è in grado di fare controlli, interpolare (ossia ricostruire) pacchetti e sequenze di bit danneggiate e al limite richiedere il rinvio, non esistono controlli che rimedino ai difetti di trasmissione della voce; la coppia di modem è "invisibile" agli utenti anche nel senso negativo, di non poter migliorare la qualità della comunicazione.

Utilizzando un adeguato protocollo di comunicazione ossia formato di compressione della voce che limiti il campionamento intorno ai 12-13 kbit/sec. è possibile con un pacchetto-voce trasmesso per secondo avere pacchetti di circa 1,5 KByte (che sono 12000 bit appunto; 1 byte=8 bit), al di sotto della soglia critica che crea problemi con connessione Internet.

Con linea ISDN si dispone di una connessione simmetrica su due linee: la velocità in upstream è la stessa che si ha in downstream. Con una larghezza di banda di 64 kbit/sec., ovvero impegnando anche una sola linea, è possibile stabilire una chiamata Voice Over IP anche con formati di compressione della voce meno efficienti che campionano a 50-60 kbit/sec.(sempre riferendosi a pari valore di un indice di qualità della riproduzione). Con l'utilizzo dei due canali ISDN è possibile gestire due chiamate Voice Over IP contemporaneamente.

In America, come è detto più sopra nell'articolo, gli operatori telefonici utilizzano il Voice Over Ip fino all'abitazione dell'utente; dunque, anche l'ultimo miglio è digitalizzato per consentire la comunicazione. Il vantaggio di un'estensione delle connessioni ISDN per la digitalizzazione dell'ultimo miglio è meno utilizzato dalle compagnie europee.

Operativamente oltre a disporre di un programma di Voice Over IP come Skype o Asterisk occorre installare un codec di compressione della voce, che è il protocollo di comunicazione che dovrà essere installato anche sull'altro terminale. Fra questi codec rientrano:GSM 6.10, ILBC, Speex 15.2k, Speex 8.0k, G.711, G.723, G.729, G.771 A-Law, G.771 U-Law.

Le ultime versioni di programmi quali Skype danno una buona qualità della chiamata anche a 56 kbit; in generale i programmi che stabiliscono una connessione punto-punto con il pc/telefono fisso chiamato hanno tempo di latenza parecchio inferiori rispetto alla composizione del numero da un sito web (come accade ad esempio nel servizio di Tiscali).