Ce document explique les systèmes de VoIP. Des événements récents, tels que la diffusion sur Internet à faible coût, l'intégration récente de processeurs dédiés de compression de voix, ont modifié les exigences des utilisateurs ordinaires et ont rendu possible la diffusion des normes VoIP. Ce guide pratique essaie de définir certains éléments de base de l'architecture VoIP.

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Il y a plus de 30 ans, Internet n'existait pas. Les communications interactives se faisaient seulement par téléphone au prix de la ligne du RTCP (réseau téléphonique commuté public).

Les échanges de données étaient coûteux (pour les longues distances) et personne n'avait pensé à des interactions vidéo (il n'y avait que la télévision qui n'est pas interactive comme on le sait).

Il y a quelques années nous avons vu apparaître des choses intéressantes : les PC pour le grand public, les nouvelles technologies pour communiquer, comme les téléphones cellulaires et enfin le grand réseau : Internet. Les gens ont commencé à communiquer à l'aide de nouveaux services comme le courrier électronique, les discussions en ligne (chat), et cætera, et le commerce, transformé par le web, a permis aux gens de faire des achats d'un simple « clic ».

Aujourd'hui nous assistons à une véritable révolution du monde des communications : tout le monde commence à utiliser des PC et Internet au travail et pendant son temps libre pour communiquer avec les autres, pour échanger des données (images, sons, documents) et, parfois, pour se parler à l'aide d'applications comme Netmeeting ou Internet Phone. Une nouvelle idée, en particulier, commence à se répandre, qui représente peut-être l'avenir, et qui permet l'échange de communications vocales en temps réel : la voix sur IP (VoIP).

Nous ne pouvons pas connaître l'avenir, mais nous pouvons essayer de nous le représenter avec une multitude d'ordinateurs, l'Internet haut débit presque partout et des gens qui se parlent (en audio et en vidéo) en temps réel. Pour cela, ils nous suffit de connaître les moyens d'y parvenir : l'UMTS, la VoIP (avec extension vidéo) ou peut-être autre chose . En tout cas, nous pouvons remarquer qu'Internet s'est beaucoup développé ces dernières années, qu'il est gratuit (au moins en tant que média international) et qu'il pourrait bien être le moyen de communication du futur.

VoIP signifie Voice over Internet Protocol ou Voix sur IP (IP = Protocole Internet). Comme son nom l'indique, la VoIP essaie de transmettre des sons (en particulier la voix) dans des paquets IP circulant sur Internet. La VoIP peut utiliser du matériel d'accélération pour réaliser ce but et peut aussi être utilisée en environnement de PC.

De nombreuses années en arrière, nous avons découvert qu'il était possible de transmettre un signal à une destination éloignée sous forme de données numériques. Avant la transmission, il faut numériser le signal à l'aide d'un CAN (convertisseur analogique-numérique). Le signal est ensuite transmis, et, pour être utilisable, doit être transformé à nouveau, par le récepteur, en un signal analogique, à l'aide d'un CNA (convertisseur numérique-analogique).

La VoIP fonctionne ainsi, par numérisation de la voix et transmission dans des paquets de données, puis par reconversion des paquets numériques en voix à l'arrivée.

Le format numérique est plus facile à contrôler : on peut le compresser, le router, le convertir en un nouveau format meilleur, et ainsi de suite  nous avons également découvert que le signal numérique est plus tolérant au bruit que l'analogique (comparer GSM et TACS).

Les réseaux TCP/IP sont des supports de circulation de paquets IP contenant un en-tête (pour contrôler la communication) et une charge utile pour transporter les données : la VoIP s'en sert pour traverser le réseau et arriver à destination.

Voix (source) - - CAN - - - - Internet - - - CNA - - Voix (dest)

Quand vous utilisez une ligne du RTCP, vous payez généralement le temps de communication à la société qui gère la ligne téléphonique : plus vous passez de temps au téléphone et plus vous payez. De plus, vous ne pouvez parler qu'à une personne à la fois.

La VoIP vous permet, au contraire, à tout moment, de parler à la personne que vous souhaitez (pourvu qu'elle soit connectée à Internet au même moment), aussi longtemps que vous le souhaitez (sans coût supplémentaire), et de plus, vous pouvez parler à plusieurs personnes en même temps.

Si vous n'êtes pas encore convaincu, considérez qu'il est possible, en simultané, d'échanger des données avec vos interlocuteurs, d'envoyer des images, des graphiques et des vidéos.

Malheureusement, il faut reconnaître des problèmes d'intégration de l'architecture VoIP et d'Internet. Comme vous pouvez facilement l'imaginer, les communications de données vocales nécessitent une transmission en temps réel (on n'admettrait pas de parler et d'attendre plusieurs secondes qu'arrive la réponse à l'autre bout). Cette contrainte entre en contradiction avec l'architecture hétérogène d'Internet qui comprend de nombreux routeurs (équipement d'aiguillage des paquets), un nombre typique est 20-30, voire plus, ce qui donne un temps d'aller-retour (RTT, round trip time) très long. Il est donc nécessaire d'effectuer des modifications pour que cela fonctionne.

Dans les sections ci-dessous nous allons essayer de comprendre comment il est possible de résoudre ce problème majeur. En général, nous savons qu'il est très difficile de garantir une bande passante sur Internet pour les applications de VoIP.

L'établissement d'une connexion VoIP nécessite :

                          Architecture de base
Voix )) CAN - Algorithme de Compression -  Assembler RTP dans TCP/IP -----
                                                             ---->     |
                                                             <----     | 
Voix (( CNA - Algorithme de Décompression -  Désass. RTP de TCP/IP   -----

Celle-ci est faite par le matériel, généralement une carte CAN intégrée.

Aujourd'hui, n'importe quelle carte son vous permet de convertir une bande de 22050 Hz en données de 16 bits (l'échantillonnage doit être réalisé à une fréquence de 44100 Hz en raison du principe de Nyquist), cela donne un débit de 2 octets * 44100 échantillons par seconde = 88200 octets/s soit 176,4 ko/s pour un flux stéréo.

La VoIP ne nécessite pas un tel débit pour la transmission des paquets de voix : nous allons examiner ci-dessous les différents codages qui seront utilisés en pratique.

Comme nous disposons maintenant de données numériques, nous pouvons les convertir dans un format standard qui permet une transmission rapide.

PCM, modulation par impulsion et codage (MIC), norme ITU-T G.711

ADPCM, modulation par impulsion et codage différentiel adaptatif (MICDA), norme ITU-T G.726

Seule la différence entre le paquet de voix actuel et le précédent est converti, ce qui nécessite 32 kbps (Norme ITU-T G.726).

LD-CELP, norme ITU-T G.728
CS-ACELP, normes ITU-T G.729 et G.729a
MP-MLQ, norme ITU-T G.723.1, 6.3kbps, Truespeech
ACELP, norme ITU-T G.723.1, 5.3kbps, Truespeech
LPC-10, norme capable d'atteindre 2.5 kbps!!

Ces derniers protocoles sont les plus importants car ils peuvent garantir une bande minimale très basse par un codage à la source. De plus les codecs G.723.1 ont une note moyenne d'opinion très élevé (utilisée pour mesurer la fidélité de la voix), mais attention aux performances d'élaboration qu'ils nécessitent : jusqu'à 26 MIPS !

Nous disposons maintenant des données brutes, il faut les empaqueter en données de protocole TCP/IP, en respectant le schéma suivant :

paquets de données VoIP
     RTP
     UDP
     IP  
   couches I, II

Les paquets de VoIP sont placés dans des paquets RTP (Real Time Transport Protocol) à l'intérieur de paquets UDP/IP.

On remarque, d'abord, que la VoIP n'utilise pas le protocole TCP, trop lourd pour les applications en temps réel. On utilise, à la place, les datagrammes du protocole UDP.

Ensuite, UDP ne garantit ni l'ordre d'arrivée à destination des paquets, ni leur temps de transfert (principe du datagramme). Ces deux propriétés sont très importantes pour la qualité générale de la voix (la bonne compréhension des paroles de l'interlocuteur) et la qualité de la conversation (la facilité de son déroulement). RTP résout le problème en permettant au destinataire de remettre les paquets dans l'ordre et en évitant une attente excessive des paquets égarés en chemin ou trop longs à parvenir (il n'est pas nécessaire de recevoir chaque paquet, il faut par contre disposer d'un flux continu, en nombre suffisant, de paquets dans l'ordre).

             Real Time Transport Protocol
 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|V=2|P|X|  CC   |M|     PT      |     numéro de séquence        |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                       empreinte temporelle                    |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|   identifiant de la source de synchronization source (SSRC)   |
+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+=+
|     identifiants des sources contribuantes (CSRC)             |
|                             ....                              |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Où :

D'autres protocoles sont utilisés en VoIP, comme RSVP, qui peut prendre en charge la Qualité de Service (QoS, Quality of Service).

RSVP est un protocole avec signalisation, qui nécessite une certaine bande passante et un délai à chaque bond réseau le prenant en charge.

Nous avons répété à plusieurs reprises que les applications de VoIP nécessitaient un flux de données en temps réel car le but est d'obtenir un échange vocal interactif.

Malheureusement, TCP/IP ne permet pas d'atteindre cet d'objectif, il ne peut que faire « au mieux ». Il va falloir utiliser des astuces et des stratégies pour la gestion du flux des paquets dans CHACUN des routeur que nous allons traverser.

On peut ainsi utiliser :

Le protocole H323 est utilisé par exemple par Microsoft NetMeeting pour faire des appels VoIP.

Ce protocole permet à plusieurs éléments de se parler :

Le protocole H323 concerne non seulement la VoIP mais aussi les communications de données et de vidéo.

En ce qui concerne la VoIP, h323 peut utiliser les codecs audio G.711, G.722, G.723, G.728 et G.729 ; pour la vidéo il prend en charge h261 et h263.

Pour créer un petit système VoIP vous avez besoin du matériel suivant :

Chacun de ces éléments doit être présent en double exemplaire comme pour une véritable communication.

Les éléments ci-dessus sont le minimum requis pour une connexion VoIP : nous verrons plus loin quel est le matériel qui serait nécessaire (et qui l'est pour Internet) pour assurer la même fonction en situation réelle.

La carte son doit être full duplex si on veut pouvoir parler et entendre en même temps !

Il est possible par ailleurs d'utiliser des cartes (voir ci-dessous) qui gèrent un flux de données en format compressé (voir § 4.3).

Il est possible d'utiliser des cartes spéciales dotées de fonctions d'accélération matérielle. Cinq d'entre elles (les seules à être prises en charge actuellement par le noyau Linux) sont les suivantes :

Quicknet PhoneJack est une carte son qui utilise des algorithmes standards pour compresser un flux audio comme G723.1 (section 4.3) jusqu'à un débit de 4,1 kbps.

Elle peut être directement connectée à un téléphone (prise téléphone classique) ou à un couple micro-haut-parleur.

Elle se connecte à un bus ISA ou PCI.

La carte Quicknet LineJack fonctionne comme la carte PhoneJack avec des caractéristiques en plus (voir ci-dessous).

La carte VoiceTronix V4PCI est une carte PCI comme la carte Quicknet LineJack mais avec 4 ports de type téléphone.

La carte VoiceTronix VPB4 est une carte ISA équivalente à la carte V4PCI.

La carte VoiceTronix VPB8L est une carte à journalisation à 8 ports.

Les cartes Quicknet LineJack et VoiceTronix peuvent être connectées à une ligne RTCP ce qui leur permet de fonctionner comme passerelle VoIP.

Un logiciel spécifique est nécessaire pour cette utilisation (voir ci-dessous).

On peut choisir l'un de ces systèmes d'exploitation :

La fonction de passerelle (qui assure la liaison entre les lignes TCP/IP, VoIP et RTCP) nécessite un logiciel, tel que :

Vous pouvez choisir comme portier :

Comme nous l'avons déja vu, la carte Quicknet PhoneJack est une carte son à fonction d'accélération spécifique à la VoIP. Ses caractéristiques sont les suivantes :

La carte Quicknet PhoneJack est une carte ISA (ou PCI) à installer dans le boîtier du PC. Elle peut fonctionner sans IRQ.

Cette carte ressemble beaucoup à la précédente, elle prend aussi en charge la fonction de passerelle.

A et B devraient avoir

Dans ce cas de figure, A fait un appel H323 à B (si B a une application serveur active) à l'aide de l'adresse IP de B. Puis B peut répondre s'il le souhaite. Une fois l'appel accepté, les paquets de données VoIP commencent à circuler

Sous Microsoft Windows, on peut utiliser un nom NetBIOS à la place d'une adresse IP.

          A - - - B
192.168.1.1 - - - 192.168.1.2
       John - - - Alice
       

       John appelle Alice.

Ceci est possible car la requête d'appel de John à Alice a été convertie en appel IP par le protocole NetBIOS

Ces deux exemples sont très faciles à implémenter mais n'autorisent pas la montée en charge.

Dans le cas d'un réseau plus étendu, comme Internet, il est impossible d'utiliser l'appel direct, car, en général, les appelants ne connaissent pas l'adresse IP du destinataire. De plus, la gestion des noms NetBIOS ne peut pas fonctionner car elle utilise des messages broadcast, qui ne passent pas au travers des routeurs des FAI, en général.

Vous pouvez aussi utiliser DNS pour la résolution des noms en adresses IP. Il est possible, par exemple, d'appeler le correspondant nommé « ordinateur.domaine.com ».

L'idée d'appeler des noms NetBIOS peut aussi être implémentée en environnement Internet à l'aide d'un serveur WINS. Il est possible de configurer les clients NetBIOS afin qu'ils utilisent un serveur WINS pour la résolution des noms

Les PC qui utilisent le même serveur WINS peuvent s'appeler directement

A (serveur WINS S) - - - - - I - - - - B (serveur WINS S)
                             N
                             T
                             E - - - - - S (serveur Wins)
C (serveur WINS S) - - - - - R
                             N
                             E - - - - D (serveur WINS S)
                             T 


                    Communication Internet

A, B, C et D sont dans des sous-réseaux différents, mais ils peuvent s'appeler à la manière d'un appel de nom NetBIOS. Il faut que tous utilisent S comme serveur WINS.

Remarque : les performances du serveur WINS sont réduites car il utilise NetBIOS  on ne devrait l'utiliser que pour un nombre restreint de sous-réseaux .

Les serveurs de type ILS permettent de résoudre un nom lors d'un appel H323 : lorsque vous démarrez une application VoIP, vous commencez par enregistrer un nom sur le serveur ILS. L'ensemble des utilisateurs pourront alors vous joindre à l'aide de ce nom (s'ils possèdent le même serveur ILS !).

On peut remédier à une pénurie d'adresses IP par utilisation du masquage d'adresses (masquerading ou NAT, network address translation, traduction d'adresse réseau) : une seule adresse IP est publique (« vue » sur Internet), les autres machines sont « masquées » par cette adresse IP.

A - - -
B - - - Routeur NAT - - - Internet
C - - -


         Ça ne fonctionne pas.

Dans l'exemple, A, B et C peuvent naviguer, pinguer, utiliser le mail et les news avec des gens sur Internet, mais ils NE PEUVENT PAS faire un appel de VoIP. En effet le protocole H323 envoie l'adresse IP au niveau applicatif, donc la réponse n'arrivera jamais à la source (qui utilise une adresse IP privée).

Solutions:

Vous pouvez aussi faire l'essai d'un portier.

Exemple

  (Terminal H323) A - - -
                         \
  (Terminal H323) B - - - D (Portier)
                         / 
  (Terminal H323) C - - -
  

      Configuration du portier

Il faut noter que le Portier n'est capable que de résoudre des noms en adresses IP : il ne peut pas relier des machines injoignables entre-elles au niveau IP, autrement dit il ne peut pas fonctionner comme routeur NAT.

Comme nous l'avons déja dit, une passerelle relie la VoIP aux lignes du réseau téléphonique (RTCP) ce qui permet d'appeler un téléphone classique depuis Internet. Il faut donc, en plus, une carte capable de gérer des lignes RTCP : la carte Quicknet LineJack convient.

La première matrice concerne les :

 _______________________________________________________________________________________________
|            | Net-    | Switch- |Simph323 | OhPhone | LinPhone| Speak-  |    HW    |    HW    |
|            | meeting | Board   |         |         |         | Freely  | PhoneJACK| LineJACK |
|____________|_________|_________|_________|_________|_________|_________|__________|__________|
| Netmeeting |    V         V         V         V         X         X         V          V
|____________|_________|_________|_________|_________|_________|_________|__________|__________|
|SwitchBoard |    V         V         V         V         X         X         V          V
|____________|_________|_________|_________|_________|_________|_________|__________|__________|
| Simph323   |    V         V         V         V         X         X         X          X
|____________|_________|_________|_________|_________|_________|_________|__________|__________|
| OhPhone    |    V         V         V         V         X         X         V          V
|____________|_________|_________|_________|_________|_________|_________|__________|__________|
| LinPhone   |    X         X         X         X         V         X         X          X
|____________|_________|_________|_________|_________|_________|_________|__________|__________|
|SpeakFreely |    X         X         X         X         X         V         X          X
|____________|_________|_________|_________|_________|_________|_________|__________|__________|
|HW PhoneJACK|    V         V         X         V         X         X         _          _
|____________|_________|_________|_________|_________|_________|_________|__________|__________|
|HW LineJACK |    V         V         X         V         X         X         _          _
|____________|_________|_________|_________|_________|_________|_________|__________|__________|

La seconde matrice fait référence aux logiciels de passerelle qui gèrent la carte LineJack.

___________________________________________________________
|              |HW LineJACK GW| SwitchBoard  |   PSTNGW     |
|______________|______________|______________|______________|
|HW LineJACK GW|      _       |       V      |       V      |
|______________|______________|______________|______________|
| SwitchBoard  |      V       |       _      |       _      |
|______________|______________|______________|______________|
|   PSTNGW     |      V       |       _      |       _      |
|______________|______________|______________|______________|

Notation:

La VoIP devient très intéressante quand vous commencez à utiliser des lignes RTCP pour appeler d'autres gens dans le monde, directement sur leur téléphone à domicile.

Une application typique serait :

Téléphone 1 -- (RTCP) -- PC1 -- (Internet) -- PC2 -- (RTCP) -- Téléphone 2

Votre décision dépendra donc des coûts des lignes RTCP. En fait, la VoIP fait la conversion de :

Téléphone 1 --- (RTCP) --- Téléphone 2
             Coût d'un appel grande distance RTCP

en :

Téléphone 1 --- (RTCP) --- PC1   +
PC2 ---- (RTCP) --- Téléphone 2  =
--------------------------------------
2 coûts d'appel RTCP courte distance

Pour réaliser des économies il est nécessaire que :

2 coûts d'appel RTCP courte distance < coût d'appel RTCP grande distance

Généralement, un « appel à courte distance » désigne un « appel local » alors qu'un « appel grande distance » peut être un « appel intercontinental » !