VoIP Protokolle: So funktioniert die Übertragung in der Voice over IP Telefonie

Kurz erklärt: Wie funktionieren VoIP Telefonsysteme?

Die VoIP-Kommunikationstechnologie nutzt das Internet oder ein anderes Internet Protocol Netzwerk, um Sprache zu übertragen – im Gegensatz zur klassischen Telefonie, in der die Sprachdaten über das Telefon- oder Mobilnetz verschickt werden. Die Sprachdaten werden dazu in kleine digitale Pakete zerlegt, über das IP-Netzwerk übertragen und anschließend im Empfänger-Gerät wieder zusammengesetzt. Dies ermöglicht die Telefonie mit allen internetfähigen Endgeräten, wie PCs, Smartphones und Tablets, sofern ein entsprechender Client (etwa eine Callcenter Softwares, MS Teams oder auch WhatsApp) installiert ist.

Was sind Voice over IP Protokolle?

Im Kontext der VoIP-Telefonie spielen verschiedene sogenannte “Protokolle” eine Rolle, um die Kommunikation und den Austausch von Sprachdaten zwischen den beteiligten Geräten und Netzwerkkomponenten zu ermöglichen. Das grundlegendste Protokoll ist das Netzwerkprotokoll, in diesem Fall das Internet Protocol. Dieses ist für die Adressierung und das Routing von Datenpaketen in einem Netzwerk wie dem Internet verantwortlich. Es ermöglicht ganz grundsätzlich die Übertragung von Daten zwischen verschiedenen Netzwerkgeräten.

Hinzu kommen weitere Protokolle, die eher eine Reihe von Regeln, Standards und Verfahren sind, die verwendet werden, um die Einrichtung, Steuerung, Übertragung und Beendigung von Sprachkommunikation über IP-Netzwerke zu ermöglichen. Diese Protokolle legen etwa fest, wie die Sprachdaten zwischen den beteiligten Geräten und Anwendungen ausgetauscht werden. Sie definieren dazu die Struktur der Kommunikationspakete, das Datenformat, die Verbindungsmechanismen, die Fehlerbehandlung und vieles mehr. Insgesamt stellen sie sicher, dass die Sprachdaten effizient, zuverlässig und in Echtzeit übertragen werden.

Welche Protokolle werden für VoIP benötigt?

Wichtig im Zusammenhang mit Voice over IP Telefonie ist etwa das Session Initiation Protocol (SIP). Wie der Name verrät, ist dieses für die Signalisierung und den Verbindungsaufbau zuständig sowie für das Verschicken der Anrufer-Informationen. Eine Alternative stellt das MGCP (Media Gateway Control Protocol) für zentralisierte VoIP-Netze dar. Auch das RTP (Real-Time Transport Protocol), das SRTP (Secure RTP) und das RTCP (Real-Time Control Protocol) sind für die Übertragung und das Übertragungsfeedback während der Echtzeitkommunikation wichtig. Besonders zentral ist jedoch das IP Telefonie Protokoll UDP, das als Transportprotokoll eingesetzt wird.

Was ist das UDP Protokoll für den Datentransport?

VoIP Telefonie verwendet zum Transport der Sprachdatenpakete das sogenannte User Datagram Protocol (UDP), ein schnelles, verbindungsloses Transportprotokoll, das Daten ohne vorherige Verbindung direkt zwischen Sender und Empfänger überträgt. Die Besonderheit des UDP Protokolls sind die Funktionsprinzipien “Fire and Forget” und “Best-Effort”. Das heißt, dass die Daten, nachdem sie über das Protokoll versendet wurden, nicht weiter verfolgt und auf Zustellung geprüft werden. Sollte also die Übertragung fehlerhaft sein, etwa weil die Bandbreite gering ist, dann sind die Sprachdaten-Pakete verloren und werden nicht nachgeliefert. 

Die wichtigsten Eigenschaften des User Datagram Protocols sind demnach die “unzuverlässige” Zustellung sowie das Fehlen von Empfangsbestätigungen und Flow Control. Da es keine Bestätigungen und Fehlerkorrektur-Strategien gibt, ist UDP in dieser Hinsicht “unsicher”. Im technischen Sinne ist es damit für die Absender von Sprachdaten unbekannt, ob diese angekommen sind. Zudem arbeitet das Protokoll verbindungslos, was bedeutet, dass sich Sender und Empfänger beim Gesprächsaufbau nicht wechselseitig authentifizieren. 

Die nicht vorhandene Fehlerkorrektur oder Paketwiederherstellung machen UDP besonders für Echtzeitanwendungen wie VoIP attraktiv macht, da verlorene Pakete einfach ignoriert werden, anstatt die gesamte Übertragung zu verzögern. Fast alle VoIP-Protokolle basieren auf UDP als Trägerprotokoll, da es eine niedrige Latenz und eine effiziente Echtzeitkommunikation ermöglicht. Das heißt nicht, dass Du mit den Mängeln des User Datagram Protocols leben musst – denn um die genannten Probleme zu minimieren, setzen VoIP-Anwendungen auf andere Mechanismen wie Codec-Optimierung, Paketpufferring und spezielle Fehlerkorrekturstrategien.

Das TCP Protokoll als Alternative zu UDP?

Das Transmission Control Protocol (TCP) ist ein verbindungsorientiertes Transportprotokoll, das sicherstellt, dass alle Datenpakete korrekt und in der richtigen Reihenfolge ankommen. UDP wird jedoch trotzdem bevorzugt verwendet, weil es eine niedrige Latenz bietet und verlorene Pakete nicht erneut sendet, wodurch Echtzeitkommunikation ohne Verzögerungen möglich ist. TCP ist weniger geeignet, weil es durch Wiederholungsanforderungen Verzögerungen verursacht, was in Sprach- oder Videoanrufen zu Störungen führt.

In der IP Telefonie bleibt schlichtweg keine Zeit für eine Überprüfung der Übertragung und ein Nachliefern verlorener Datenpakete. Dies würde zu hohen Einbußen in der Gesprächsqualität führen, vor allem bei geringer Bandbreite. Das TCP Protokoll, das stets nachprüft, ob der Empfänger die Daten fehlerfrei und in der richtigen Reihenfolge erhalten hat, eignet sich demnach nicht perfekt für VoIP. In den meisten VoIP-Anwendungen wird für die Medienübertragung UDP verwendet, während TCP manchmal für die Signalisierung genutzt wird.

Warum das UDP Protokoll in VoIP bevorzugt wird:

• Geringe Latenz: UDP minimiert Verzögerungen und sorgt für eine flüssige Sprachübertragung.
• Effiziente Echtzeitkommunikation: Keine erneute Übertragung verlorener Pakete verhindert Störungen.
• Einfache Implementierung: Viele Firewalls und NAT-Systeme unterstützen VoIP-Übertragungen über UDP.

SIP (Session Initiation Protocol)

SIP ist eines der am häufigsten verwendeten Signalisierungsprotokolle in VoIP. Es ermöglicht das Initiieren, Modifizieren und Beenden von Sprach- und Videoanrufen und wird hauptsächlich über UDP betrieben. Durch seine flexible Architektur wird es auch für moderne Unified-Communications-Lösungen eingesetzt.

MGCP (Media Gateway Control Protocol)

MGCP ist ein Steuerprotokoll, das die Kommunikation zwischen Media Gateways und Call Agents regelt. Es wird oft in zentralisierten VoIP-Architekturen eingesetzt, um Sprachübertragungen zwischen traditionellen Telefonnetzen und IP-basierten Systemen zu koordinieren. MGCP setzt ebenfalls auf UDP als Trägerprotokoll.

RTP (Real-time Transport Protocol)

RTP ist das wichtigste Protokoll für die Echtzeit-Übertragung von Audio und Video in VoIP. Es sorgt für eine effiziente Paketübertragung mit minimaler Verzögerung, sodass Sprach- und Videodaten in Echtzeit übermittelt werden. Auch hier liegt UDP zugrunde, um die Echtzeitkommunikation zu gewährleisten.

SRTP (Secure RTP)

SRTP ist eine erweiterte Version von RTP, die durch Verschlüsselung und Authentifizierung für eine sichere Sprach- und Videoübertragung sorgt. Es schützt VoIP-Kommunikation vor Abhörversuchen und Manipulationen.

RTCP (Real-time Transport Control Protocol)

RTCP ergänzt RTP, indem es Qualitätsmetriken bereitstellt und die Synchronisation von Medienströmen unterstützt. Das Protokoll sendet Berichte zur Übertragungsqualität und nutzt UDP, um mit RTP synchronisiert zu bleiben.

Typischer Ablauf einer VoIP-Verbindung mittels der verschiedenen Protokolle

1. Signalisierung: SIP setzt den Anruf auf.
2. Medienübertragung: RTP oder SRTP transportiert die Sprach- und Videodaten.
3. Qualitätskontrolle: RTCP überwacht die Medienqualität und gibt Feedback.
4. Verbindungsabbau: Mittels SIP wird der Anruf beendet.

Vorteile der Telefonie über VoIP Protokolle

VoIP-Telefonie bietet eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber der klassischen Telefonie, sowohl für private als auch geschäftliche Nutzer:

• Standortunabhängigkeit: Telefonate können von überall auf der Welt geführt werden.
• Flexibilität: Nahtloses Wechseln zwischen verschiedenen Endgeräten.
• Videotelefonie: Ermöglicht neben Sprache auch Videoanrufe.
• Lokale Telefonnummern: Nutzung von lokalen Rufnummern über Callcenter-Dienstleister wie telegra.
• Kosteneffizienz: Oft günstiger als herkömmliche Telefonie, da die Kommunikation über das Internet erfolgt.

Fazit: Die Bedeutung des UDP Protokolls für VoIP 

Die Übertragung von Kommunikationsdaten über das Internet ist ein komplexer technischer Prozess, bei dem viele verschiedene Arten von Protokollen eine Rolle spielen. Zentrales VoIP-Übertragungs-Protokoll ist das User Datagram Protocol, das dank seiner speziellen Funktionsweise eine Kommunikation in Echtzeit realisiert. Zusammen sorgen die VoIP Protokolle für die bestmögliche Gesprächsqualität und ermöglichen die einzigartigen Vorteile der Telefonie über das Internet.