Laboratorio telematico offerte tesi

Video telefonia su reti a pacchetto, fisse e mobili

Domanda di finanziamento di ricerca della Facolta' di INGEGNERIA Anno: 2001 - prot. C26F017228

Responsabile della ricerca FALASCHI Alessandro

Inquadramento della ricerca proposta

La videotelefonia e' gia' da qualche anno possibile su reti a commutazione di circuito sia numeriche come ISDN, che analogiche come GSTN, in accordo alle specifiche definite nelle raccomandazioni dell'ITU-T H.320, H.321 ed H.324 rispettivamente.

In questo ambito, sono definiti gli stessi metodi di codifica del segnale video (H.261 e H.263), mentre sia i metodi di segnalazione e controllo (H.221 e H.242 per ISDN, H.223 e H.245 per GSTN) che quelli di codifica dell'audio (G.711, G.722 e G.728 per le reti numeriche, G.723 per la rete analogica) possono essere resi compatibili mediante l'uso di gateway, come descritto dalla raccomandazione H.246; la stessa compatibilita' e' inoltre assicurata anche per i terminali H.322 operanti su rete a commutazione di pacchetto, purche' questa assicuri una garanzia di banda. La raccomandazione H.324M estende infine la compatibilita' alle reti di telefonia mobile, mentre la raccomandazione T.120 disciplina lo scambio di trasmissioni dati.

Nei fatti, il vero interesse alla videotelefonia si e' rapidamente spostato verso il paradigma internet, in cui come e' noto non e' a priori assicurata alcuna qualita' di servizio, in quanto la "rete delle reti" e' nata per la distribuzione esclusiva di traffico dati. Cionostante (o forse proprio per questo?) la crescita esponenziale degli utenti internet, ha spinto la comunita' scientifica a sviluppare nuovi protocolli, specificatamente orientati al trasporto di traffico real-time.

Un evento decisivo e' stato la definizione del Real-time Transport Protocol (RTP) [rfc1889] che, trasportato su UDP ed affiancato da un protocollo di controllo (RTCP), consente la realizzazione di servizi di streaming e di inoltro di flussi audio e video real-time, grazie a meccanismi di buffering e di riferimento temporale; questi ultimi in particolare consentono in ricezione il recupero della sincronizzazione tra media diversi di una stessa trasmissione.

Nel 1996 L'ITU-T emette quindi la raccomandazione H.323, relativa alla realizzazione di servizi di videotelefonia su reti a pacchetto che non garantiscono la Qualita' di Servizio (QoS). Questa viene anche detta "raccomandazione-ombrello", in quanto le sforzo principale e' di armonizzare le indicazioni delle precedenti raccomandazioni della serie H, e di prevedere la definizione di tutta una famiglia di gateway idonei a garantire l'interoperabilita' di queste con le entita' di videotelefonia internet. Nel tempo, la raccomandazione subisce un processo di raffinamenti successivi, e nel novembre 2000 e' stata approvata la sua quarta versione.

In conseguenza dell'alto livello di compatibilita' con gli sviluppi preesistenti, nonche' dei vincoli imposti dalla rete IP di trasporto, la raccomandazione H.323 si rivela decisamente complessa, se confrontata con una diversa soluzione [sip] al problema, sviluppata in modo nativo per internet. Ciononostante, in virtu' della compatibilita' citata, diverse realta' industriali integrano rapidamente i protocolli H.323 nei loro prodotti software, e la filosofia Open Source determina lo sviluppo di una implementazione [openh323] dello stack in formato aperto, consentendo agli sviluppatori indipendenti di concentrarsi sulle applicazioni, anziche' sul protocollo.

L'architettura H.323 prevede l'esistenza in rete di entita' (indicate genericamente come EndPoint (EP)) in grado di offrire servizi che rendono l'insieme idoneo allo sviluppo della videotelefonia a livello mondiale. Oltre ai teminali, ed ai gia' citati gateway (GW) che ne garantiscono l'interoperabilita', e' definito un elemento indicato come Gatekeeper, che provvede alla traduzione di indirizzi (tra quelli mnemonici, o quelli della rete telefonica, e quelli IP) ed al controllo di accesso degli EP alla rete, nonche' all'applicazione di politiche di gestione della banda, ed alla localizzazione delle altre entita', come i GW e le Unita' di Controllo Multipunto (MCU).

Gli MCU sono EP che permettono a tre o piu' terminali di partecipare ad una conferenza multipunto, e sono a loro volta costituiti da un Multipoint Controller (MC) ed opzionalmente da un Multipoint Processor (MP). L'MC gestisce il processo di negoziazione delle capacita' tra tutti i teminali coinvolti, che devono potersi scambiare i contenuti multimediali in modalita' multicast, e puo' svolgere una funzione di controllo delle risorse e di arbitraggio, consentendo ad esempio ad un solo EP la trasmissione della componente video. L'MP, se presente, gestisce l'elaborazione centralizzata di audio, video, e/o flussi dati, gestendo il missaggio, la selezione, od altre operazioni sotto il controllo dell'MC, e permette di condurre la conferenza in forma centralizzata, con distribuzione unicast ai singoli partecipanti di uno stesso insieme di contenuti; cio' solleva gli EP dai compiti di elaborazione, e rimuove la necessita' di supporto al multicast per la rete.

In presenza di limitazioni di banda, o di congestione di rete, l'architettura puo' benissimo fare a meno della componente video, e costituire una soluzione piu' che completa al Voice over IP (VoIP). Inoltre, continuando ad escludere il video, l'H.323 puo' essere perfettamente integrato in una architettura di commutazione telefonica privata (PBX) distribuita, sia permettendo l'interconnessione tra le sedi remote mediante un collegamento dati preesistente, sia distribuendo localmente il traffico voce sulla stessa rete dati aziendale/residenziale.

Allo scopo di ottenere una soluzione di Telephony over Ip (ToIP), estensibile a livello mondiale, il trasporto su rete IP deve essere pero' supportato da politiche o strumenti di garanzia della qualita' del servizio, allo scopo di non produrre nell'utente una sensazione di eccessivo degrado rispetto allo standard a cui e' abituato. La soluzione prevista dall'H.323 in tal caso e' di affidarsi al protocollo di prenotazione RSVP, la cui gestione puo' essere imposta dal GK all'EP che intenda ricevere una chiamata; ad esempio, l'EP puo' essere un GW tramite il quale e' raggiunto un utente di rete fissa o mobile.

Citiamo per ultimi in questa breve introduzione due ulteriori aspetti attualmente oggetto di studio e ricerca.

Il primo e' la comunicazione tra domini amministrativi. L'annex G alla raccomandazione H.225.0 definisce la metodologia per rendere i servizi di localizzazione realizzati dal GK, disponibili anche al difuori della propria zona amministrativa, secondo un approccio che ricorda in qualche modo la gerarchia dei DNS internet, ed i servizi di localizzazione offerti da SIP.

La decomposizione dei GW invece e' l'oggetto del primo standard della storia emesso congiuntamente sia dall'ITU-T che dall'IETF, e noto con il doppio nome di H.248/Megaco [megaco]. Si tratta di ripartire le funzioni di un gateway tra un elemento di commutazione ed adattamento del trasporto, il Media Gateway (MG), ed un elemento di controllo del GW stesso, il Media Gateway Controller (MGC). Dipendentemente dal fatto se la segnalazione viaggi in modo associato o meno, questa viene passata dal MG al MGC, oppure terminata direttamente dal MGC. Inoltre, Megaco e' considerato complementare sia all'H.323 che al SIP, in quanto specifica il protocollo di comunicazione tra MGC e MG, ma i diversi MGC comunicano tra loro tramite H.323 o SIP indifferentemente.

Sintesi del programma di ricerca

Il programma di ricerca si basa sull'uso dell libreria di classi c++ sviluppata nell'ambito del progetto Openh323, che implementa i protocolli contemplati dalla raccomandazione H.323. Tale scelta deriva dal valore culturale dei progetti open Source, dalla economicita' della scelta, dal pieno controllo del codice, e dal desiderio di riversare il lavoro svolto a beneficio della stessa comunita' Open Source.

Gli obbiettivi della ricerca sono sia di natura scientifica che pratica. Il lato pratico deriva dalla necessita' di disporre di un sistema realmente funzionante per poter condurre gli studi e le sperimentazioni previste. Come risultato addizionale, la realizzazione dell'infrastruttura tecnolgica costitituira' un servizio per la Facolta' di Ingegneria, e per l'Ateneo di cui essa fa parte. Per lo svolgimento della ricerca, ci si intende avvalere della collaborazione di Marco Di Bonifacio, nonche' di rapporti di collaborazione. Proseguiamo l'esposizione intercalando alla definizione dell'infrastruttura tecnologica che si intende realizzare, gli aspetti scientifici su cui si intende indagare.

Gatekeeper ed accesso alla rete VideNet

A partire dalla libreria Openh323, sono state sviluppate alcune applicazioni che realizzano le entita' di cui occorre disporre. In particolare, e' disponibile un Gatekeeper [opengk], elemento fondamentale per definire una zona locale alla facolta. Presso il GK, quando messo in opera, potranno essere registrati gli EP in uso, e lo stesso GK costituira' lo strumento per mezzo del quale i singoli utenti potranno entrare in contatto. Il GK verra' quindi posto in una relazione di "vicinato" con un'altro presente presso il Cineca, e facente parte di una rete internazionale H.323 usata nelle comunita' accademiche e di ricerca [videnet], iniziativa nata in seno all'Universita' del Nord Carolina, e che realizza un piano di numerazione mondiale per terminali H.323, rendendo possibile "videotelefonare" con gli altri aderenti all'iniziativa sparsi per il pianeta. Dal punto di vista della ricerca, Il GK di partenza non realizza l'annex G della raccomandazione H.225.0, e quindi i nostri EP non saranno direttamente "visibili" a livello mondiale. Lo sviluppo di tale componente del protocollo, permettera' di mantenersi aggiornati rispetto agli sviluppi dello stesso, e di sperimentare soluzioni alternative.

Servizi di audio e video conferenza

Grazie ad Openh3232 e' stato realizzato anche un MCU. Lo sua messa in opera permette di realizzare conferenze multipunto che possono estendersi anche al fuori della Facolta' stessa, in quanto funzionanti indipendentemente dalla propagazione dei pacchetti multicast. Dal punto di vista della struttura, sara' possibile erogare contenuti di teledidattica, e svolgere riunioni virtuali con altri appartenenti alla struttura. Dal punto di vista della ricerca, potranno essere sperimentate modalita' di controllo, arbitraggio e missaggio audio-video dei flussi provenienti dai conferenzieri, e potranno essere svolte prove sul campo di algoritmi di codifica audio e video, e test di qualita'. Potranno infine essere raccolte statistiche riguardanti il tipo e la qualita' del traffico prodotto dai diversi codificatori.

Estensione geografica e Teledidattica

Le video conferenze introdotte al punto precedente possono raggiungere anche poli didattici distaccati come quello di Latina, a condizione che la connettivita' sia adeguata alla banda necessaria. In caso di congestione e/o della necessita' di una garanzia di qualita', e' necessario ricorrere a meccanismi di prenotazione di tipo RSVP, qualora il segmento di rete attraversato lo consenta, oppure di acquisire una connettivita' indipendente. In questo secondo caso, sara' possibile svolgere sperimentazione attiva a riguardo dell'attuazione delle politiche di negoziazione della qualita' di tipo DiffServ, che potrebbero essere gestite direttamente dal GK che controlla appunto le richieste di comunicazione da parte dell'EP chiamante.

Gateway voice over IP

Esistono alcune implementazioni di Gateway, basate ancora su Openh323, sia verso la verso la rete telefonica commutata, che verso ISDN. Nel primo caso, si potra' realizzare la connessione con il centralino di Ateno, utilizzando alcune linee interne dello stesso, collegate a schede di interfaccia telefonica inserite nel computer che ospita il gateway. In tal modo, sara' possibile per una chiamata che giunge dall'esterno in VoIp, entrare nel centralino e far squillare un telefono interno. Per realizzare l'applicazione, si prevede di fare uso dei contenuti del DataBase di Facolta' [dbfac], in modo da fornire al chiamante remoto tutte le informazioni necessarie all'uso del servizio. Nel secondo caso (ISDN), potrano essere risolte vantaggiosamente le esigenze di connettivita' dedicata, e condotti gli esperimenti sul DiffServ.

Servizi di Risposta Vocale Interattiva - IVR

Grazie alla presenza del GW VoIP, potranno essere realizzati servizi vocali di tipo IVR [bayonne] direttamente in software, in grado di erogare in voce i contenuti del DB di Facolta' anche a coloro che sono sprovvisti di accesso Internet. In particolare, una "normale" chiamata telefonica entrante su di un numero associato al Gateway, sara' inoltrata ad un endpoint corrispondente non ad un terminale di utente, ma ad un processo che realizza un automa a stati finiti in grado di interagire mediante messaggi preregistrati e/o sintesi vocale, raccogliere l'input dell'utente mediante la tastiera del telefono e/o dispositivi di riconoscimento vocale, ed erogare -via sintesi vocale- i contenuti prelevati dal DB di Facolta', come orari e programmi, nonche' inoltrare la chiamata verso un numero interno e/o un terminale H.323. Ovviamente, lo stesso servizio sara' disponibile anche per chiamate IP (che non attraversano quindi il GW in entrata).

Ricerca sulla mobilita'

Le questioni della mobilita' di utente, di servizio e del terminale in ambito H.323 sono trattate nella Annex H, che a Novenbre 2000 era ancora allo stato di Draft. La questione coinvolge inoltre l'Annex G di H.225.0, l'Annex E di H.246 e l'Annex I di H.323. La sua realizzazione richiede la definizione di nuove entita' funzionali dell'architettura H.323, e precisamente una Home Location Function, una Visitor Location Function, una Authentication Function, e una Interworking Function. Si tratta di un tema di grande attualita', di cui ci si occupera' senz'altro.

Ricerca su Megaco e SoftSwitch

Si tratta, come accennato nell'introduzione, di un protocollo molto recente per il controllo di un Media Gateway, e che permette l'interoperabilita' di apparati di costruttori diversi. E' un diretto prodotto del processo di convergenza tra TLC e Computer Science, come testimoniato dallo sforzo congiunto di IETF ed ITU-T. Riveste inoltre un ruolo fondamentale nell'evoluzione della societa' dell'informazione, in quanto determina un salto di qualita' nelle reti di interconnessione, che si dimostrano in grado di rimpiazzare in tempi se non brevi, neanche troppo lunghi, gli attuali media broadcast costituiti da radio e televisione, consentendo al contrario di questi l'erogazione di contenuti sia su domanda che in diretta, da parte di qualsiasi cittadino della rete. Lo scenario delineatato ha gia' dato luogo alla nascita di un consorzio [softwitch] industriale a cui aderiscono gran parte delle realta' tecnologiche mondiali. Essere presenti sulla scena di tali eventi epocali, oltre che fonte di ricerca scientifica, e' senza dubbio fonte di emozione.

Riferimenti

[rc1889] - H.Schulzrinne, S.Casner, R.Frederick, V.Jacobson, RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications, January 1996
[sip] - M.Handley, H.Schulzrinne, E.Schooler, J.Rosenberg, SIP: Session Initiation Protocol, RFC2543, March 1999
[openh323]- Equivalence Pty Limited, OpenH323 Project
[megaco] - F.Cuervo, N.Greene, A.Rayhan, C.Huitema, B.Rosen,J.Segers, Megaco Protocol Version 1.0, RFC3015, November 2000
[opengk] - http://opengatekeeper.sourceforge.net/
[videnet] - http://www.cavner.org/videnet/logo.html
[dbfac] - http://infocom.uniroma1.it/db.html
[bayonne] - http://www.voxilla.org/projects/projacs.html
[softwitch] - http://www.softswitch.org/


alef@infocom.uniroma1.it; Fri May 11 17:14:27 2001