Die Jitsi-/BBB-/ZOOM-Story – oder Videokonferenzen in der Covid19 Pandemie an der Universität Duisburg-Essen

Als kurz vor dem Lockdown der DFN-Verein (Deutsches Forschungsnetz) ankündigte, dass der DFN-Conf Videokonferenzservice für alle Eventualitäten gerüstet sei und keine Kapazitätsprobleme zu erwarten sind, war Fachleuten im ZIM sofort klar, dass die Kapazitäten niemals ausreichen werden. Der DFN-Verein hat in Vor-Corona-Zeiten Kapazitäten von gerade einmal 2000 gleichzeitigen Videokonferenzteilnehmern bereitgehalten. Bei über 400 angeschlossenen Hochschulen kann so eine geringe Kapazität nicht ausreichen, wenn der Dienst plötzlich stark nachgefragt wird.

Leider hat aber das zentrale Videokonferenzangebot des DFN dafür gesorgt, dass lokal an vielen Hochschulen keine eigenen Lösungen mehr vorgehalten worden sind. An der UDE war das anders. Unterstützt von den Kolleginnen und Kollegen im Bereich Lerntechnologien habe ich mir vor einigen Jahren diverse freie Videokonferenzsoftwarelösungen (z.B. OpenMeetings, Palava, Jitsi-Desktop) angeschaut. Openmeetings, ein freier Adobe Connect Clone, war einige Zeit im Testbetrieb an der UDE und damals noch Flash-basiert. OpenMeetings , Jitsi und BigBlueButton (BBB) nutzen WebRTC als Basistechnologie. BBB hat ähnlich wie OpenMeeting früher Flash als Video- und Audio-Übertragungstechnik eingesetzt.

Es war zu Beginn des Lockdowns nicht klar, wie die Hochschullehre im folgendem Semester organisiert werden kann. Sollte der Weg gewählt werden alle Vorlesungen einfach per Videokonferenz anzubieten oder nur in eine Richtung ohne Rückkanal für die Studierenden ein Stream anzubieten oder besser auf ein Learning Content Management System wie Moodle gesetzt werden, um die Lehre asynchron zu realisieren? Im (aus IT-Sicht) Worst-Case-Szenario würde man alle Veranstaltungen einfach per Videokonferenz anbieten. Allerdings kommen Videokonferenzlösungen dann sehr schnell an Ihre Grenzen. Wenn Sie beispielweise eine Videokonferenz mit 100 Teilnehmern veranstalten möchten, muss jeder Teilnehmer 99 Videobilder gleichzeitig empfangen können, was private Internetzugänge von der benötigten Bandbreite nicht hergeben. Deshalb reduzieren alle Videokonferenz-Werkzeuge die Anzahl der maximal gleichzeitig übertragenen Streams.  Teilnehmerzahlen von über 1000 sind so gar nicht zu realisieren. Bei einem normalen synchronen Vorlesungsbetrieb an einer Universität mit über 40.000 Studierenden ist das technisch mit Inhouse-Lösungen zu Spitzenlastzeiten möglicherweise auch nicht zu stemmen. Da sich aber die Hochschule für einen asynchronen Lehrbetrieb mit Moodle entschieden hat, verteilt sich die benötigte Bandbreite über den ganzen Tag und Lastspitzen werden vermieden.

Wir im ZIM haben uns dazu entschieden, mehrgleisig auf die neuen Bedarfe zu reagieren. Einerseits haben wir sehr rasch einen Jitsi-Server für WebRTC-Videokonferenzen aufgesetzt und später Lizenzen für ZOOM-basierte Videokonferenzen in der Cloud beschafft. In der Fakultät Biologie hat Ken Dreger zeitgleich damit begonnen den WebRTC-Dienst BigBlueButton zu evaluieren. Dieser Dienst wurde später gemeinsam mit der Fakultät Biologie, der Wirtschaftsinformatik und dem ZIM auch hochschulweit in den Betrieb genommen. Ein spezieller BBB-Server für die Gremienarbeit, der für alle Teilnehmer eine Anmeldung mit der Unikennung erzwingt, wurde ebenfalls realisiert.

Bei der eingekauften proprietären Lösung ZOOM liegen die live Audio- und Video-Streams Prinzip bedingt beim Anbieter auf dem Vermittlungsserver unverschlüsselt vor. Um auch Konferenzen zu ermöglichen, in denen personenbezogene Daten oder anderweitig schützenswerte Inhalte ausgetauscht werden, wurde im ZIM auch ein sogenannter „on-premise“ ZOOM-Server installiert, bei dem alle Audio-und Videodaten unverschlüsselt nur auf einem Server in der Hochschule vorliegen. Um die Sammlung von Metadaten durch den Anbieter zu verhindern, ist nun auch eine völlig anonyme Anmeldung der Initiatoren einer Zoom-Videokonferenz im ZIM realisiert worden. Wenn allerdings auch nur ein Teilnehmer per Telefon oder WebRTC an einer Konferenz auf dem ZOOM-on-premise-Server teilnimmt, werden im ersten Fall Audio und im zweiten Fall auch das Video der Konferenz über ZOOM-Server in die Cloud geleitet.

Die Daten, die Sie darüber hinaus in Ihrem ZOOM-Profil pflegen und auch die Aufzeichnungen dort, verantworten Sie aber als Lehrende selber.

WebRTC (Web Real Time Conferencing)

WebRTC, also Echtzeitkonferenzen im Browser sind heute in allen aktuellen Browsern nutzbar, selbst der Microsoft Browser Edge und Apples Safari beherrschen das mittlerweile gut. Dazu ist in den Webbrowsern Programmcode integriert, der auf die Webcam und das Audio-Interface (Mikrofon/Lautsprecher) zugreift, Ton und Video komprimiert (kodiert) und empfangene Daten dekomprimiert (dekodiert).  Diese Softwarekomponente wird CODEC (von coding und decoding) genannt. Wegen der im WebRTC-Standard notwendigen Interoperabilität der verschiedenen Browser muss die das W3C-Standartisierungsgremium (World Wide Web Consortium) auf CODECs einigen, die von allen Browser-Herstellern unterstützt werden (VP8, H264 für Video und Opus, G711 PCMA und PCMU für Audio). Da die beiden führenden Browser mit einer Open Source-Lizenz entwickelt werden, müssen auch die verwendeten CODECs Open Source sein. Und hier zeigt sich der wesentliche Unterschied zu proprietärer Videokonferenz Software wie z.B. Zoom. Diese muss nicht mit anderer standardisierter Software zusammenarbeiten, ist nur für diesen einzigen Zweck geschrieben worden und kann auch hochwertige kommerzielle Closed Source CODECS einsetzen, die eine höhere Kompression ermöglichen. Insofern ist der Vergleich der Audio- und Video-Qualität von WebRTC basierten Lösungen mit proprietären, nicht interoperablen Lösungen müßig. WebRCT-basierte Videokonferenzen mit BBB und Jitsi werden an der UDE über Uni-eigene Server abgewickelt. Weder Metadaten (wer kommuniziert mit wem) noch Inhalte können auch dem über sichere HTTPS abgesicherten Transportweg abgehört werden. Eine echte Ende-zu-Ende Verschlüsselung kann Prinzip bedingt auf einfache Weise nun zwischen zwei Kommunikationspartnern realisiert werden. Jitsi bietet beispielsweise so eine Möglichkeit. Wenn Sie zu zweit eine Jitsi-Konferenz durchführen, werden weder Ton noch Bild über den Jitsi-Server der UDE geleitet. Sie kommunizieren dann direkt Ende-zu Ende verschlüsselt und kein Geheimdienst dieser Welt kann sie abhören, sofern sie Ihrem PC und dem installierten Betriebssystem vertrauen können.  Eine Ende-zu-Ende Verschlüsselung mit mehr als zwei Teilnehmern ist viel schwieriger zu realisieren, da dann beim Verbindungsaufbau ein geheimer Session-Schlüssel mit allen Teilnehmern ausgetauscht werden müssen, den der zentrale Server nicht mitbekommen darf.

Ein weiterer Vorteil der WebRTC-Dienste ist die einfache Integration in vorhandene Webdienste wie z.B. Moodle und Rocket-Chat.

In Webbrowsern sind Sicherheitsmechanismen eingebaut, die verhindern sollen, dass eine Browser-Nutzerin oder ein Nutzer heimlich beim Besuch einer Webseite abgehört wird. Deshalb fragen die Browser immer nach, ob der Zugriff auf Kamera, Mikrofon und gegebenenfalls den Desktop, falls etwas präsentiert werden soll, durch den Nutzer erlaubt wird. Die Freigabe wird für jeden Server einzeln gespeichert und kann auch widerrufen werden. Im Falle von BBB sind das aber 10 verschiedene Server auf die, je nach aktueller Last, verwiesen wird. Leider ist das für ungeübte Nutzer eine zusätzliche Fehlerquelle bei webbasierten Videokonferenzen. Übrigens unterstützt auch ZOOM den Zugang über WebRTC zu Videokonferenzen ohne Installation des ZOOM-Clients. Allerdings ist diese Funktion (möglicherweise beabsichtigt) etwas versteckt und funktioniert nicht so zuverlässig wie von Jitsi und BBB gewohnt.

WebRTC-Probleme mit Mikrofon, Kamera oder Netzwerkanbindung können Sie auf dieser Testseite ganz hervorragend eingrenzen: https://test.webrtc.org/

Beschränkte Internetzugänge

Alle hier beschriebe Dienste funktionieren nun auch über extrem limitierte Internetzugänge, wie z.B. dem Verwaltungsfirewall der UDE oder in NAT-Netzen mit privaten Internet-Adressen. Auch die von Providern gerne verkauften limitierten DSLite-Internetzugänge stellen kein Problem mehr dar. Sofern auch nur der Port 443 für HTTPS offen ist, lassen sich Jitsi und BBB nutzen. Ermöglicht wird das durch im ZIM betriebene STUN und TURN-Server, die bei solchen limitierten Zugängen für eine „Vermittlung“ zwischen Client und Server sorgen. Auf wenn diese „Vermittlung“ wegen einem beschränten Internetzugang beim Verbindungsaufbau benötigt wird, bleibt die oben erwähnte Ende-zu-Ende-Verschlüsselung bei Jitsi mit zwei Teilnehmern intakt.

Echtzeit Videokonferenz versus Live-Stream versus Stream einer Konserve

Häufig wird die Qualität einer Videokonferenz an Streaming-Angeboten für vorher aufgezeichnete und komprimierte  Videokonserven wie Netflix oder Youtube gemessen. Da bei einer Videokonferenz die Latenz höchsten 150 Millisekunden betragen darf, ist der technische Aufwand aber bei einer Konferenz ungleich höher als bei einem Live- oder Konserven-Stream.  Bei höheren Verzögerungen fallen sich die Teilnehmerinnen unabsichtlich ins Wort, weil sie von einer Sprechpause des Gegenübers ausgehen. Bei einem (Live) Stream ist es völlig egal, ob er erst nach 10 Sekunden beginnt und der CODEC die Zeit für eine verbesserte Kompression und für ein Puffern (Buffering) nutzen kann, welches Latenz und Jitter (Verzögerungen und ungleichmäßige Übertragung in Paketen) überbrücken kann. Insofern ist es für eine Streaming-Anwendung im Gegensatz zu einer Videokonferenz auch gleichgültig, ob LAN oder WLAN eingesetzt wird, wenn nur die verfügbare Bandbreite insgesamt ausreicht. Die Kompression über eine lange Pufferzeit spart viel Übertragungsbandbreite, weil der CODEC nur Blöcke im Bild neu übertragen muss, in denen sich etwas ändert. Der CODEC kann in einem langen Puffer auch Blöcke zwischenspeichern, was schnelle Bewegungen im Vordergrund bei wenig Veränderung im Hintergrund abfedert. Daher schaffen Streaming-Dienste es, eine höhere Videoqualität mit geringerem Bandbreitenbedarf zu übertragen, als es in Videokonferenzen möglich ist. Und hier wird bisher nur ein wirklicher Live-Stream mit einer Echtzeit-Videokonferenz verglichen. Wenn eine Quelle als Konserve vorliegt, kann mit speziellen CODECS vorher offline komprimiert werden, da der CODEC dann “alle Zeit der Welt” hat, um das Video vorab zu komprimieren. Hochkomprimierende offline-CODECS für Konserven benötigen dazu ein Vielfaches der Laufzeit des Videos und sind deshalb für Live-Anwendungen nicht geeignet. All das ist einem CODEC für Echtzeit-Videokonferenzen nur eingeschränkt oder im Fall der Konserve gar nicht möglich.

Welches Tool für welche Anwendung?

Für eine spontane kleine Videokonferenz oder selbstorganisierte Lerngruppen von Studierenden ohne große Organisation eignet sich besonders Jitsi, da gar keine Zugangsdaten eingegeben werden müssen und man sich den Raum, also die URL einfach ausdenken kann. Z.B. https://jitsi.uni-due.de/spontanestreffen funktioniert sofort und weltweit. Der erste Teilnehmer kann auch die Eingabe eines Passwortes erzwingen, so dass sichergestellt werden kann, dass der Nutzerkreis eines Raumes eingeschränkt wird. Ein spezieller Datensparmodus ermöglicht auch die Teilnahme ausschließlich per Audio, so dass notfalls auch ein sehr limitierter Internetzugang, beispielsweise ein stark volumenbeschränkter LTE-Zugang, ausreicht.  Für Android und IOS gibt es jeweils auch eine komfortable Jitsi-App. Auch ein Streaming-Server für automatisierte Streams ist im ZIM an Jitsi angebunden worden. In der aktuellen Jitsi-Version ist es auch möglich eine sehr große Teilnehmerzahl mit zunächst abgeschalteten Mikrofonen und Kameras beitreten zu lassen, wenn der Moderator (Initiator) dieses in den Einstellungen festlegt. Der Moderator ist aber auf die Disziplin der Teinehmer angewiesen. Schauen Sie sich für Details die Dokumentation auf den ZIM-Seiten zu Jitsi an. Für Konferenzen ab ca. 10 Teilnehmern nutzen Sie aber besser BBB, dass dem Moderator wesentlich mehr Möglichkeiten bietet.

Für sehr komfortable Konferenzen in BBB mit guter Präsentations- und Moderationsmöglichkeiten ist es erforderlich, dass zumindest die/der Einladende sich mit Unikennung und Passwort am BBB-Server anmeldet um einen Meeting-Raum zu erstellen. Die Berechtigung dazu muss vorher dazu vergeben werden, wenden Sie dafür an die Hotline des ZIM. Sowohl für Jitsi als auch BBB (Gremienserver) ist im ZIM eine Telefoneinwahl mit FreePBX (Asterisk) realisiert worden.

Über den Microsoft-Bundesvertrag haben Sie darüber hinaus auch die Möglichkeit kostenfrei MS-Teams zu nutzen. Dazu müssen sie aber als Einzelperson die Vertragsbedingungen von Microsoft akzeptieren und ein MS-Office365-Konto anlegen. Das ist allerdings kein Dienst des ZIM und wir können keinen Support oder eine Datensicherung dazu anbieten. Damit Studierende und Lehrende dort überhaupt zusammenarbeiten können, war eine Zusammenlegung der Tenents für Mitarbeiter und Studierende der UDE durch Kollegen im ZIM notwendig. Sie sind persönlich verantwortlich, wenn Sie in der Microsoft-Cloud dienstliche personenbezogene Daten speichern und verarbeiten. Bedenken Sie dabei die DSGVO und die vom EUGH „gekippte“ Privacy Shield Regelung. Aktuell hält ein Arbeitskreis der Datenschutzkonferenz  den rechtskonformen Einsatz von Microsoft 365 in öffentlichen Institutionen für unmöglich.

Auch der DFN-Conf-Dienst scheint nun wieder zuverlässig zu funktionieren. Ob er allerdings dem Semesterbeginn Stand hält, bleibt aber abzuwarten.

Den ZOOM-Cloud-Dienst können Sie für Lehre einsetzen, sofern Sie keine Datenschutzbedenken haben. Bei Dienstbesprechungen dürfen Sie ausschließlich Dienste einsetzen, die an der UDE betrieben werden, d.h. Jitsi, BBB oder ZOOM mit dem „on-premise“-Server. Für Gremiensitzungen empfehlen wir ausdrücklich den BBB-Gremienserver, da dort bei der Anmeldung jeder Teilnehmer mit Unikennung und Passwort authentifiziert wird.

Was alles schiefgehen kann – die drei Feinde der Videokonferenz:

  • Latenz und Jitter
    Wenn Sie am Teilnahmeort eine LAN-Verkabelung haben, nutzen Sie diese auch! Im WLAN haben Sie immer ein geteiltes Medium, daheim mit Nachbarn und Familienangehörigen an der Uni mit Kollegen und Studierenden, die unvermittelt und unabsichtlich für kurzfristige Verzögerungen beim Datentransfer sorgen. Selbst wenn Sie ganz allein einen WLAN-Router nutzen und wirklich Niemand mit einem Gerät in der Nähe ist, fangen Sie sich durch das WLAN eine vermeidbare zusätzliche Latenz (also Verzögerungen) ein. Sowohl bei der Telefonie als auch bei einer Videokonferenz akzeptieren Menschen eine Latenz von höchstens 150 Millisekunden. Bei höheren Verzögerungen fallen sich die Teilnehmerinnen unabsichtlich ins Wort, weil sie von einer Sprechpause des Gegenübers ausgehen. Schlimm wird es auch wenn Sie sich den WLAN Funkkanal teilen und Audio- und Video-Pakete unregelmäßig verzögert ankommen (Jitter), da dann Aussetzer in Ton und Bild vorkommen.
  • Rückkopplungen
    Benutzen Sie bei Videokonferenzen immer ein Headset oder zumindest einen Kopfhörer. Ansonsten kann es passieren, dass ihr Mikrofon den Ton aus Ihrem Lautsprecher aufnimmt und so ein Echo der aktuell Sprechenden erzeugt, was speziell für den Sprecher aber auch für alle Teilnehmerinnen sehr unangenehm ist. Im schlimmsten Fall erzeugen sie sogar einen unangenehmen Pfeifton, der sich immer weiter aufschaukelt. Moderne Videokonferenzsysteme versuchen solche Echos per Software zu unterdrückten, was aber nicht immer zuverlässig funktioniert. Auch eine schlechte Entkopplung von Mikrofon und Lautsprecher in einem minderwertigen Headset kann so eine Rückkopplung auslösen. Einige Bluetooth-Headsets vertragen sich nicht gut mit dem WAN-Chipsatz mancher Notebooks und können so für zusätzliche Latenz sorgen. Wenn Sie über kein Headset verfügen, schalten Sie Ihr Mikrofon immer ab, wenn Sie nicht selber sprechen.
  • Bandbreite Zuhause / der gebuchte Tarif und die Wirklichkeit
    Internet-Provider überbuchen ihre verfügbare Bandbreite, weil sie davon ausgehen, dass nicht alle ihre Kunden den Zugang gleichzeitig mit der gebuchten Maximalgeschwindigkeit nutzen. Deshalb können Sie nicht davon ausgehen, dass Ihnen wirklich die gebuchte Bandbreite immer zur Verfügung steht. Derzeit sind durch massive Homeoffice-Nutzung viele Internetprovider überlastet.  Unter https://www.uni-due.de/zim/speedtest/ können Sie testen, wie schnell Ihr Internetzugang wirklich ist.  Auch kurzfristige Verzögerungen und Jitter durch einen geteilten Zugang können Probleme verursachen. Ihre Internetverbindung ist immer der Flaschenhals, ganz selten der Server. Fast alle privaten Internetzugänge sind asynchron konfiguriert, d.h. die Daten von Ihrer Webcam bzw. Audio sind im Upstream (also von Ihnen aus zum Server) begrenzt. Vermeiden Sie die zeitgleiche Nutzung auch durch Familienmitglieder von anderen Internetdiensten während einer Videokonferenz. Wählen Sie immer eine geringe Videoauflösung, sofern die VC-Software das erlaubt. Die Tonübertragung benötigt sehr viel weniger Bandbreite als ein Videobild. Wenn es in einer größeren Konferenz Probleme gibt, sollte nur der aktuell Sprechende ein Videobild senden. Notfalls sollten Sie ganz auf Video zugunsten der Audiokonferenz verzichten.
    Alternativ können Sie Ihren Router daheim so konfigurieren, dass die Bandbreite fair aufgeteilt wird. Das funktioniert rudimentär mit jeder Fritz-Box  und ganz ausgezeichnet mit einem Router der mit der Open Source DD-WRT-Firmware (Einstellung unter NAT/QoS) betrieben wird. Die Fritzboxen priorisieren in der Default-Einstellung Dienste, die sie für Echtzeitanwendungen halten, allerdings liegen sie dabei häufig falsch. Beispielsweise wird der Dienst Wetransfer von Fritzboxen als Echtzeitanwendung priorisiert und killt bei einem großen Upload dann gerne gleichzeitig ablaufende Videokonferenzen. In der DD-WRT-Routerfirmware ist, im Gegensatz zu OpenWRT , die Priorisierung komfortabel konfigurierbar, ohne dass Software nachinstalliert werden muss. Möglichweise haben Sie noch ein älteres unterstütztes Gerät herumliegen, dass Sie für diesen Zweck weiterverwenden können.
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