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Videokonferenz – wie funktioniert das?

von | Nov 5, 2020 | Jitsi

Während früher für Videokonferenzen dedizierte Soft- und teilweise auch Hardware erforderlich war, klappt das heutzutage mit jedem modernen Browser. Eine Grundvoraussetzung war sicher die heute verfügbare schnellere Hardware. Was früher zwingend nach optimierten Chips verlangte lässt sich heute problemlos in Software gießen und von jeder Smartphone-CPU umsetzen. Wobei unterstützende CPU-Befehlssatzerweiterungen (z.B. für Teilaspekte der Verschlüsselung) und in Hardware gegossene Unterstützung für den ein oder anderen Videocodec natürlich nicht schaden.

Der Großteil der Arbeit wird aber in Software umgesetzt, und die Grundlagen dafür wurden nicht komplett neu erfunden. Man hat auf bewährte Komponenten gesetzt, aber auch ein paar Dinge anders gemacht. Zusammengefasst wird das Ganze unter dem Begriff WebRTC. Dahinter versteckt sich eine ganze Reihe von Komponenten und Standards. Sowohl die IETF als auch das W3C waren und sind hier mit verschiedensten zugehörigen Standards involviert.

Heute möchte ich ein paar Teilaspekte des Ganzen beleuchten, um verständlicher zu machen welche Magie sich hinter diesem Begriff versteckt. Wir werden unter die Lupe nehmen, wie:

  • Webbrowser via JavaScript Zugriff auf Kamera und Mikrofon ermöglichen
  • mögliche Übertragungswege ermittelt werden (was “dank” NAT & Co nicht trivial ist)
  • mögliche Datenströme zwischen den Teilnehmern signalisiert werden
  • die eigentlichen Medienstreams übertragen werden
  • Verschlüsselung zustande kommt

Zugriff auf Kamera und Mikrofon

Der Zugriff auf Kamera etc ist bei der ganzen Geschichte der einfachste Teil. Alle namhaften Browser stellen Media Devices / Media Streams bereit. Wer damit experimentieren möchte kann sich entsprechend einlesen oder einfach mal dieses Schnipsel ausprobieren. Einfach in eine HTML-Datei speichern und im Browser öffnen. Wenn alles klappt, dann sollte es in etwa so aussehen:

Wenn jedoch z.B. der Zugriff auf die Kamera nicht gewährt wird, kümmert sich die Fehlerbehandlung darum, eine aussagekräftige Fehlermeldung prominent zu platzieren:

Desktopsharing ist übrigens mittlerweile ähnlich simpel, hier eine kleine Testseite von Mozilla.

Ice Ice Baby

Der nächste Schritt ist schon komplizierter. Eine provisorische Kommunikation zwischen zwei Browserfenstern lässt sich mit Hilfe von Google, Stackoverflow & Co vielleicht noch relativ einfach bewerkstelligen. Eine ernsthafte Software für Videokonferenzen ist aber erstens harte Arbeit und verlangt zweitens auch serverseitig nach entsprechenden Ressourcen.

Raketentechnik passt nicht in einen Blog-Post, aber die grundsätzlichen Prinzipien des Verfahrens möchte ich hier vermitteln:

STUN wird benutzt um mögliche eigene Kandidaten für potentielle Sessions zu ermitteln. Im Idealfall ergibt sich daraus die Möglichkeit, die eigentlichen RTP-Ströme direkt zwischen den Clients zu vermitteln. Dadurch entsteht abgesehen von der Signalisierung auf den Servern keine Last. Das lief schon vor über 10 Jahren wunderbar, und ermöglichte SIP-Providern den Großteil des Traffics gar nicht selbst stemmen zu müssen.

Während das mit dem User hinter einem x-beliebigen DSL-NAT-Router meist wunderbar klappt, scheitert das spätestens, wenn man an ein symmetrisches NAT gerät. Während man als SIP-Anbieter früher recht trickreich versuchte, dann die vermittelten Sessions on-the-fly umzuschreiben um die Datenströme dann über Proxy-Server mit öffentlichen IPs zusammenzuschalten, gibt es mittlerweile zum Glück Standards für dieses Verfahren.

Eine Kernkomponente stellen TURN-Server dar, welche bei Bedarf ein Relay auf sichere Weise bereitstellen können. Zudem wurde das ganze Verfahren zum Verbindungsaufbau unter dem Namen Interactive Connectivity Establishment (ICE) standardisiert und wird für die Kommunikation im Browser vorausgesetzt bzw mitgeliefert.

Wobei Browser hier durchaus raffiniert vorgehen und auch Erweiterungen wie Trickle zur Beschleunigung des Ganzen implementieren.

Signalisierung

ICE bringt uns direkt zum nächsten Thema, die Signalisierung. Informationen über mögliche Transportwege müssen nämlich zwischen den Teilnehmern ausgetauscht werden. Und das nicht nur beim Gesprächsaufbau, sondern auch mittendrin. Schaltet jemand sein Videosignal an oder aus, ergibt das eine Änderung an den benutzten Sessions. Wird die Videoqualität mitten im Gespräch erhöht oder verringert (passiert meist automatisch), dann werden ebenfalls neue Sessions ausgehandelt.

Mögliche Kandidaten für Streams und ausgewählte ebensolche müssen irgendwie definiert und beschrieben werden. Hier kommt ein alter Bekannter aus der SIP-Welt zum Einsatz, nämlich das Session Description Protocol (SDP). Die Art und Weise wie es in den Browsern in JSON eingepackt wird sieht zwar bereits vor, es irgendwann potentiell durch eine Alternative ersetzen zu können. Stand heute ist es aber meines Wissens die einzige Variante, die zum Einsatz kommt.

Einigen müssen sich die Teilnehmer auf Audio und/oder Videocodecs, die Anzahl der involvierten Streams – und nicht zuletzt die zugehörigen Transportwege. Während SDP bei SIP einen der möglichen Inhalte eines SIP-Pakets darstellt, wird es bei WebRTC hier komplizierter. Im Grunde kann jeder Anbieter selbst entscheiden, wie er die Session-Informationen welche sein JavaScript-Code in den jeweiligen Browsern ermittelt zwischen denen und/oder seiner Videoplattform austauscht. Theoretisch können auf dem Signalisierungsweg zwischen den Teilnehmern auch mehrere Server stehen. Auch der Transport zwischen diesen ist im Grunde nicht vorgeschrieben. Grundsätzlich nutzt man SIP (eher zwischen Servern) und/oder (vorzugsweise) XMPP.

Spätestens auf dem Weg zum Browser nutzt man besser einen Standard wie XMPP via BOSH oder Websockets, bei XMPP kommt zudem eine Erweiterung namens Jingle zum Einsatz. Zwingend ist aber die Unterstützung von JSEP, dem JavaScript Session Establishment Protocol. Um jetzt nicht zu sehr ins Detail zu gehen: stellt euch JSEP einfach wie einen JSON-Wrapper für SDP vor. Der Standard beschreibt nicht nur das einzelne Datenpaket und dessen Format, sondern auch den ganzen Ablauf des Auf- und Abbaus von Sessions. Wer es wirklich im Detail verstehen will kommt eh nicht umhin, sich die ganzen (vielen) involvierten Drafts und RFCs zu Gemüte zu führen.

Datenströme – Media Streams

Nachdem unsere Teilnehmer jetzt endlich wissen, was sie wohin senden (und woher empfangen) können, geht es endlich los: wir schicken unseren Stream auf die Reise. Zum Einsatz kommt auch hier ein alter Bekannter, das Real-Time Transport Protocol (RTP). Zum Glück ist auch RTPC, die Erweiterung zur Steuerung der Servicequalität zwingend vorgeschrieben. Bei SIP war das noch optional.

Das Protokoll übernimmt hier das Stückeln der aus dem gewählten Audio/Video-Codec fallenden Pakete. RTP muss sicherstellen, dass ein Stream kontinuierlich, synchron und linear ankommt. Laufzeitunterschiede (Jitter), also Schwankungen in der Übertragungszeit der einzelnen Pakete sollen ausgeglichen werden. Auch das ist eine Wissenschaft für sich.

Wer sich ansehen möchte, welche Streams gerade aktiv sind und wie viele Daten da drübergehen, kann das teilweise in seinem Browser machen – in Chrome z.B. unter chrome://webrtc-internals/. Via JavaScript sind diese Informationen (in unterschiedlicher Ausprägung) übrigens in allen Browsern verfügbar. Man sieht welche Codecs gerade zum Einsatz kommen, ob und wie laut gesprochen wird und wie viele Daten übertragen wurden und werden. Hier setzt übrigens an, wer die Gesprächs- und Videoqualität überwachen möchte.

Verschlüsselung und Sicherheit

Nicht zuletzt geht es spätestens bei den Streams natürlich auch um die Frage der Sicherheit. Die gute Nachricht zuerst: zumindest die Implementierung der Verschlüsselung ist im WebRTC-Standard für alle beteiligten Komponenten vorgeschrieben. Bei den Protokollen finden sich wiederum alte Bekannte, zumindest für den, der sich schon mal mit VoIP-Sicherheit auseinandergesetzt hat:

* Datagram Transport Layer Security – DTLS erlaubt TLS auch für UDP
* Secure Real-Time Transport Protocol – SRTP ist eine effiziente Verschlüsselung für RTP

Nicht verschlüsselt sind Header-Informationen wie z.B. die Lautstärke. Man “sieht” also auch ohne die Verschlüsselung zu knacken, ob jemand gerade spricht oder nicht. Vor bei SRTP denkbaren MITM-Angriffen schützt bei WebRTC übrigens der Verbindungsaufbau via DTLS.

Die Verschlüsselung erfolgt End-to-End. Auch wenn die Streams über einen TURN-Server geleitet werden kann der Anbieter sie nicht entschlüsseln. Wer sich tiefer in das Thema einarbeiten möchte, dem empfehle ich als Einstiegspunkt A Study of WebRTC Security. Dazu sollte man vielleicht noch sagen, dass hier lediglich versprochen wird, dass die Verbindung zu meinem Gegenüber verschlüsselt ist. Wer aber letztlich mein Gegenüber ist und ob das wirklich mein Gesprächspartner ist, ob dem in der Zwischenzeit jemand das Notebook geklaut hat oder ob gar ein Proxy verschlüsselt mit uns beiden spricht und dabei in der Mitte hängt – das zu unterscheiden ist für den Endnutzer leider nicht mit vertretbarem Aufwand möglich.

Schwieriger wird das Thema Sicherheit zudem, wenn Konferenzen mit mehreren Teilnehmern stattfinden. Wenn nämlich jeder Teilnehmer seinen Stream zu jedem anderen sendet ist bei einer gewöhnlichen DSL-Leitung das Ende der Fahnenstange schnell erreicht. Mischt der Anbieter die Streams zu einem (bzw zu mehreren, weil Teilnehmer teilweise andere Codecs unterstützen), dann ist die schöne End-zu-End-Verschlüsselung aber leider im Eimer.

Eine mögliche Lösung sind SFUs (Selective Forward Units), die kennt man bereits aus der guten alten RTP-Welt. Die brauchen zwar nicht in die Streams zu sehen, können es per Definition aber leider. Eine schöne Lösung bieten hier Insertable Streams, welche mittlerweile in aktuellen Versionen von Firefox, Safari und Chrome verfügbar sind. Ein zugehöriges Jitsi-Issue liefert dem interessierten Leser einen tiefen Einblick in den aktuellen Stand der Technik und die Fortschritte der einzelnen Browserhersteller.

Jitsi ist übrigens eine wunderschöne OpenSource-Lösung für Videokonferenzen. Wer den Aufwand des Betriebs scheut oder es einfach mal ausprobieren möchte kann das jederzeit bei uns machen. Und wenn wir anderweitig zu dem Thema beratend zur Seite stehen können, machen wir das natürlich auch sehr gerne.

Thomas Gelf
Thomas Gelf
Principal Consultant

Der gebürtige Südtiroler Tom arbeitet als Principal Consultant für Systems Management bei NETWAYS und ist in der Regel immer auf Achse: Entweder vor Ort bei Kunden, als Trainer in unseren Schulungen oder privat beim Skifahren in seiner Heimatstadt Bozen. Neben Icinga und Nagios beschäftigt sich Tom vor allem mit Puppet.
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