Tutorial de Voz
sobre IP
VIII Seminário de
Capacitação Interna
Cesar Marcondes
GT-VOIP/RNP
Tópicos
Introdução sobre VOIP (atraso, jitter, perda)
Cenários básicos (PC-PC, PC-Gateway, Gateway-Gateway,
Gateway-Servidor-Gateway)
Codificadores de áudio (G.711/GSM/G.723.1, relacionamento com a qualidade
-MOS)
Sinalização H.323 (GK, GW, H.245) e Sinalização SIP Segurança e VOIP
Interfaces FXS / FXO / E&M / E1 (descrição técnica)
Plano de discagem (Proposta de Plano de Discagem RNP2, peering com Internet2) Monitoramento de ligações (RADIUS - VSA, GK Accounting)
IVR (Interactive Voice Response)
Sistema de Planejamento de QoS para VoIP com uso Medições Ativas
(descrição do ambiente - Openam e Caller, resumo das ligações por semana/dia)
Comparativo entre Gateways VOIP
(Cisco 2600, Alcatel, Planet, LineJack e Voip Blaster)
Introdução
Telefonia na Internet se refere à serviços de
comunicação como voz, fax, ou aplicações de
mensagens de voz, que são transportadas via
Internet ao invés da Rede Telefônica Pública.
Os passos básicos envolvidos em originar uma
chamada telefônica na Internet são conversão
do sinal de voz analógico para formato digital,
compressão deste sinal em pacotes IP
transmitidos sobre a Internet; e revertendo o
processo na extremidade receptora.
Por que migrar para VoIP?
(Perspectiva do Usuário)
compressão variável
segurança através de
criptografia
identificação de quem
chama
chamadas
internacionais pagando
taxas locais
fácil integração com
vídeo, whiteboard
(Perspectiva da
Operadora)
supressão de silêncio
resulta em menor
tráfego
facilidades
compartilhadas (mais
simples que CTI)
vantagens operacionais
comutação mais barata
fax enviado como dado
Por que não usamos
VoIP hoje em dia?
Qualidade do Som Imprevisível
Menor Confiabilidade
Os dispositivos VoIP não são baratos (telefones
IP, Gateways, etc)
Base instalada mundial de 1 bilhão de linhas
telefônicas
Infra-estrutura de cobrança inexistente
Desafios Técnicos a serem superados
Desafios Técnicos
Mudança do Paradigma da Rede Baseada em
Circuitos para Rede Baseada em Pacotes
Atraso Fim-a-Fim Variável
Codificação e compressão
Perda de Pacotes
Cancelamento de Eco / Supressão de Silêncio
Atraso Fim-a-Fim
Problema do Atraso Fim-a-Fim
Atraso de Bufferização e Codificação
•
Este atraso é mais significativo, quando estivermos
lidando com taxas de bits muito baixas.
Atraso de Serialização e Propagação (10ms/1000km)
Bufferização para Compensação de Jitter acaba
aumentando o atraso fim-a-fim = 40 a 60 ms
Obs.: Não devemos exceder (ITU-T) 150 ms em atraso
fim-a-fim para prevenir colisão na conversa (ligações
via satélite)
<<OLA CO MO VOCE VAI ? >> <<OLA COMO VOCE VAI ?
Propagação + Jitter
Linha do Tempo
Problema da Serialização
O atraso de serialização pode causar aos pacotes
de voz uma espera maior do que necessário:
Serialization delay =
(1500 bytes) x (8 bits / byte) = 187,5 ms
( 64000 bits / segundo)
Solução: Fragmentação na Camada de Rede /
Perda de Pacotes
Causado por Congestionamentos ou Atrasos
Dependendo do codificador, a perda é mais ou
menos significativa
Podemos usar mecanismos de Forward Error
Correction (FEC) – Redundância
Outras alternativas de recuperação são baseadas
Cenários de Telefonia IP
Cenário 1 : PC para PC
Necessário um PC com placa de som e microfone
Software de IP Telephony : Cuseeme, Netmeeting ...
Opcionalmente pode ser usado para outros propósitos,
como vídeo-conferência
Rede
Internet
Cenários de Telefonia IP
Cenário 2 : PC para Telefone
É necessário um gateway que
conecte a rede Internet com a rede
de telefonia convencional
O usuário precisa conhecer
previamente o endereço IP deste
gateway.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 * 8 # iMacRede
Internet
Rede
Telefonica
GATEWAYCenários de Telefonia IP
Cenário 3 : Telefone para Telefone
•
Existe a necessidade de mais gateways para
conectar a rede Internet à diferentes redes
telefônicas provendo uma forma de bypass
•
Todo gateway tem que conhecer todos os
prefixos telefônicos e endereços IP dos gateway
que acessam estes prefixos
1 2 3 4 5 6 7 8 9 * 8 # Rede Telefonica Rede Telefonica Rede Internet Gateway Gateway 1 2 3 4 5 6 7 8 9 * 8 #
Cenários de Telefonia IP
Cenário 4 : Telefone para Telefone ou PC para
Telefone passando por Servidor
O servidor tem como objetivo fornecer a resolução do
prefixo e redirecionar a ligação para o gateway correto
1 2 3 4 5 6 7 8 9 *8 # Rede Telefonica Rede Internet 1 2 3 4 5 6 7 8 9 *8 # Rede Telefonica Servidor 1979 XXXXXX = IP do Gateway 1 1845 XXXXXX = IP do Gateway 2 Gateway 1 Gateway 2
Codificadores de Áudio
ITU-T G.711
Taxa de Transmissão:
64 kbps (8bits/125µs)
Codificação do Tipo: Pulse
Code Modulation
8000 amostras/seg
quantizadas em 256
níveis (8 bits)
Níveis de quantização têm
espaçamento logaritmo
Baixo Atraso de
Processamento
ITU G.729A
Taxa de Transmissão:
8 kbps (80bits/10ms)
Codificação do Tipo:
ACELP
(Algebraic-Code-Excited Linear-Prediction)
Entrada PCM linear 16,
construção de banco de
coeficientes para
filtragem
Atraso de Codificação:
10ms (quadro), 5 ms
(lookahead), 10 ms
(processamento) = 25ms
Utilizado com sucesso na
Codificadores de Áudio
ITU-T G.723.1
Taxa de Transmissão:
5,3 kbps (158bits/30ms)
6,3 kbps (189bits/30ms)
Tipos de Codificação:
• ACELP para 5,3 kbps e • ML-MLQ para 6,3 kbps
Algoritmo parecido com o
G.729, entretanto com
maior janela de
observação (180 amost.).
Atraso de Codificação: 30
ms (quadro), 7,5 ms
(lookahead), 30 ms
(processamento) = 67,5
ms
Supressão de Silêncio e
Ruído de Conforto
O Anexo B do G.729 e
Anexo A do G.723.1
descrevem o detector de
atividade de voz (VAD), e
o gerador de ruído de
conforto para a
compressão de silêncio;
Entretanto, o VAD pode
apresentar alguns
problemas indesejáveis
como falhas no começo
das palavras devido ao
threshold para detectar a
atividade da voz.
Medindo a Qualidade
Avaliações Subjetivas
Mean Opinion Score
•
Valor de 0 a 5 representando a qualidade do áudio
• 0 – inaceitável até 5 – excelente
Avaliações Objetivas
ITU-T G.113
•
Valores de 0-100, onde 0 representa a pior qualidade e
100 a melhor. Usa tabela de valores subjetivos
previamente medidos para analisar a qualidade;
ITU-T G.114 – e-Model
•
Combina diversos parâmetros de performance em um
modelo computacional complexo
Relacionamento com a
Qualidade (MOS)
Relacionamento com a
Qualidade (MOS)
One-Way
Delay
ITU
G.113
150
0
200
-3
250
-10
300
-15
400
-25
500
-30
600
-35
>800
-40
% PacketLoss ITU G.113G729A (VAD) ITU G.113G.723 (VAD)
0 -11 -15 0,5 -13 -17 1 -15 -19 1,5 -17 -22 2 -19 -24 3 -23 -27 4 -26 -32 8 -36 -41 16 -49 -55
H.323 - Abordagem
ITU-T de Telefonia IP
Herança da Rede
Telefônica
Endereçamento de números telefônicos Encapsulamento das mensagens de sinalização ISDN Maior tempo de padronização Maior quantidade de produtos Padrão usado pelo
Internet2 VOIP Working Group Terminal H.323 Terminal H.323 Terminal H.323 MCU Gatekeeper Gateway PSTN/H.323 Central Telefônica (PBX) Rede Local Rede de Telefonia Convencional Gatekeeper: Gerencia o registro, status e admissão de usuários (RAS) Terminal H.323: ponto final da comunicação multimídia
Gateway H.323/PSTN: tradução dos formatos de transmissão e
procedimentos de comunicação entre H.323 e Rede Telefônica (PSTN)
Servidor de Conferência : suporte a conferências entre três ou mais pontos terminais
H.323 - Abordagem
ITU-T de Telefonia IP
Sinalização H.323
Protocolo RAS
- Requisições de Registro / Admissão / Status• Acontecem sempre dos terminais H.323 para o Gatekeeper
• Requisições de abertura de chamadas
Sinalização de Estabelecimento de Chamada
(Q.931/H.225) e Controle de Mídia (H.245)
• Existem 2 modos de operação entre terminais H.323
• 1 – Modo Direct Routed
Modo Direct vs GK-Routed
Sinalização Q.931 H.245 RTP / RTCP RAS RAS RAS Gatekeeper Gatekeeper Terminal H.323 Terminal H.323 1 – Modo Direct Routed
Quando o
Gatekeeper fizer a
admissão da chamada, ele provê ao terminal H.323, o endereço IP do terminal procurado. A sinalização de estabelecimento de chamada prossegue diretamente entre os terminais H.323
Modo Direct vs GK-Routed
2 – Modo Gatekeeper
Routed
Neste modo de atuação, o Gatekeeper intermedia a sinalização de estabelecimento de chamada (Q.931) e de negociação da mídia (H.245), como se ele fosse o terminal chamador. Gatekeeper Gatekeeper Terminal H.323 Terminal H.323 H.245 H.245 H.245 Q.931 Q.931 Q.931 RTP / RTCP RAS RAS RASSIP - Abordagem
IETF de Telefonia IP
O SIP utiliza algumas características da Internet, como:
URLs (para endereçamento);
Comunicação entre domínios administrativos através de DNS
Herança do protocolo HTTP (requisições e respostas no
formato texto);
MIME-types podendo enviar qualquer conteúdo no corpo das
SIP – Session
Initiation Protocol
Data SIP Client Servidor SIP Proxy Servidor SIP Redirect Servidor SIP Proxy Servidor SIP Proxy SIP ClientData DataData
Location Service 1 2 7 6 3 4 5 8 9 10 11 12
Cliente SIP: ponto final da comunicação multimídia
Servidor Proxy: realiza a sinalização como se fosse o originador da chamada Servidor Redirect: envia uma mensagem para os clientes contendo o novo endereço SIP procurado
Exemplo de Mensagem SIP (12) : SIP/2.0 200 OK
From : Cesar Marcondes <sip:[email protected]> To : Vitor <sip:[email protected]>
Via : SIP/2.0/UDP proxysip.voip.nce.ufrj.br Call-ID : [email protected] CSeq : 8324 INVITE
Aspectos de Segurança
Possível Solução: Uso de Gatekeeper com Função
de Proxy de Sinalização H.225/H.245 e RTP/RTCP
Somente o GK tem as portas liberadas no Firewall
Network Address Translation (NAT)
Segurança no Gateway
PBX Gateway
H.323 / PSTN Gatekeeper
Aplicar filtragem no Gateway Liberar UDP todos 512-65535
Bloquear TCP 1720 de todos menos do Gatekeeper Usar Modo Gatekeeper Routed Rotear a sinalização H.225 / porta 1720 Internet
Interoperando com a
Telefonia Convencional
Interfaces
FXS
FXO
E&M
E1
Entrar em contato com os responsáveis da área
de telefonia da instituição, para verificar quais
são as interfaces disponíveis no PBX e qual
Interface FXS –
Foreign Exchange Station
Uma interface FXS (ou Foreign Exchange Station) conecta
diretamente um telefone, um aparelho de fax ou
dispositivo similar que tenha “ring”, voltagem, e tom de
discagem. Isto faz com que o Gateway permita emular
uma linha telefônica para este telefone. A interface usa o
conector RJ-11.
Interface FXO –
Foreign Exchange Office
A interface FXO (Foreign Exchange Office) é um conector RJ-11 que
permite uma conexão analógica com o PBX ou linha telefônica. O FXO é plugado diretamente no extremidade de uma linha do PBX para que ele pense que a interface FXO é um telefone. Entretanto, a interface FXO não permite plugar um telefone convencional, pois ela não provê tom de
discagem.
A configuração padrão de sinalização entre PBX e esta linha é loop-start.
Podendo ser modificado outro valor como ground-start, para evitar problemas como o glare.
Tronco Analógico E&M
Os troncos analógicos permitem conectar sistemas de telefonia,
como ligações entre PBXs e ligação com a operadora. A forma
mais comum de tronco analógico é a interface E&M (recEive e
transMit) – RJ11.
A sinalização E&M define um lado como “circuito do tronco” e
outro lado como “unidade de sinalização” para cada conexão.
Essa sinalização é similar aos DCE, (Data Circuit-Termination
Equipment) e DTE (Data Terminal Equipment). Normalmente, o
PBX fica com o lado “tronco”, e a operadora (ou o gateway VoIP)
é fica com o lado “unidade de sinalização”.
A sinalização E&M é usada para suportar tie-line ou sinalização
entre switches telefonicos. Sendo que esta sinalização pode ser
de 5 tipos diferentes, configurável nos Gateways.
Tronco Digital E1
Módulos de Tronco Digital E1 são usados para permitir que as instituições
enviem a sua telefonia digital em 30 canais simultâneos E1 pela rede. Estes módulos permitem receber a informação de taxa constante E1 e convertê-la em formato compactado usando VoIP.
Para fazer isso, entretanto, precisamos de alguns recursos especiais (no
caso do Cisco 2600) :
Ter um tronco E1 disponível no PBX.
Instalar o IOS 12.1(2)T ou maior - 48 MB é o minimo para 1 ou 2 E1s. Suportar o pacote IP Plus - 16 MB de memória Flash.
Instalar uma placa E1 de alta-densidade (NM-HDV-1E1-30).
Instalar pelo menos 1 PVDM-12. Sendo possível instalar no máximo 5 PVDM-12
nos slots da placa E1 de alta-densidade.
• Cada PVDM-12 é composto de DSP para compressão de áudio.
• Se usarmos codecs de alta complexidade, cada PVDM processa até 6 ligações simultâneas por PVDM-12.
• Se usarmos codecs de média complexidade, ele processo até 12 ligações simultâneas por PVDM-12.
Plano de Discagem
Um plano de discagem ou plano de numeração
descreve os aspectos de endereçamento e
roteamento na rede de telefonia
O plano identifica números telefônicos que estão
associados a regiões e a maneira como é feito o
roteamento, através de prefixos, por exemplo.
A proposta preliminar do Plano de Discagem
Cenário – Discagem
Cenário – Peering
Cenário – Bypass de
Cenário –Bypass
Cenário – Extensão do
Monitorando as ligações
Objetivo:
Monitorar com maior nível de detalhes, as ligações que
usem a telefonia convencional
Proposta: Usando servidor RADIUS (FreeRadius)
RADIUS – protocolo de autenticação
Usa mensagens UDP (porta 1812/1813)
Pode usar mensagens específicas dos fabricantes
(Vendor-Specific Attributes – VSAs)
Gateways Cisco e Alcatel, implementam RADIUS cliente
Em caso de falha, pode usar servidores redundantes
Funcionamento do
Monitoramento
Roteador Cisco 2600 Servidor RADIUS Central Telefonica NCE/CCMN Ramal #3354 Computador NetmeetingCall-leg = VoIP / answer
Call-leg = Telephony / originate
Inicia uma chamada para #3354 Contabiliza o start do segmento VoIP (Call-leg) Inicia a chamada no lado da telefonia Contabiliza o start do segmento de Telefonia (Call-leg) Finaliza a chamada Contabiliza o stop do segmento VoIP (Call-leg) Finaliza a chamada Contabiliza o stop do segmento de Telefonia (Call-leg)
Análise dos Registros
das Chamadas
“Start” Resumida (VOIP)
Called-Station-Id = 552125983354 Acct-Status-Type = Start h323-conf-id=4A879FA1 AFB41E41 9521908B 17373FDC h323-call-origin=answer h323-call-type=VoIP
“Stop” Resumida (VOIP)
Called-Station-Id = 552125983354 Acct-Status-Type = Stop h323-conf-id=4A879FA1 AFB41E41 9521908B 17373FDC h323-call-origin=answer h323-call-type=VoIP h323-connect-time=16:58:04.360 BRDT Mon Nov 25 2002 h323-disconnect-time=16:59:09.760 BRDT Mon Nov 25 2002 h323-disconnect-cause=10 h323-remote-address=146.164.247.206
Interactive Voice Response
Possível solução para prover acesso a rede VoIP nas
instituições
Conceito:
• Servindo como ponte entre as pessoas e bancos de dados ou serviços, IVRs conectam os usuários usando telefones com a informação que eles precisam. A operação normalmente leva em conta a aplicação de DTMF por parte do usuário.
Idéia:
• “Bem-vindo ao sistema de Voz sobre IP da UFRJ, por favor entre com seu código de acesso e senha”
• Após o usuário ter entrado corretamente com código de acesso e senha, dá um segundo tom de discagem
• O usuário neste instante pode fazer uma ligação usando o Plano de Numeração H.323 da rede VOIP da RNP
Sistema de Planejamento
de QoS para VoIP
O objetivo deste sistema é prover uma infra-estrutura de
planejamento para o uso futuro de ligações de voz sobre
IP com qualidade na RNP2.
Princípio é realizar ligações simuladas, entre pontos que se
conectarão com VoIP e mapear a qualidade de serviço que
será “sentida” pelos usuários.
Foi desenvolvido um ambiente experimental de geração e
recepção de tráfego de telefonia IP, coletando e
armazenando os dados do comportamento dos fluxos
multimídia enviados via protocolo RTCP e medidas
instantâneas.
Sistema de Planejamento
de QoS para VoIP
Participação nos Testes
dos PoPs: SC, PR, DF, MG,
CE, AM e NOC-RJ;
Ligações realizadas com
diferentes codificadores de
áudio (G.711, GSM,
G.723.1);
Gravação do arquivo de
áudio no trecho mais
congestionado;
Integração com medidas
Medidas Coletadas
Medidas Instantâneas
Medidas Médias (Feedback RTCP)
Resultados Obtidos
http://www.voip.nce.ufrj.br
Link Projetos ->
GT-VOIP RNP2 ->
Comparativo entre
Gateways (VoIP)
Roteador Cisco 2600 com interfaces de Voz
2 portas ethernet de 10 Mbps 2 links seriais (até 2 Mbps)
Placas de telefonia VIC (2 FXO e 2 FXS) Funcionalidades (depende do IOS)
• Roteamento RIP/OSPF e multicast;
• Serviços integrados (RSVP) e diferenciados;
• IVR (Interactive Voice Response);
• Programação de Tons de Discagem;
• DTMF Relay;
• Soluções H.323/SIP/MGCP (+ memória);
• Pode atuar como Gatekeeper (perde interfaces);
• Monitoramento de Voz com RADIUS/Syslog;
• Planos de Discagem Flexíveis (expr. regulares);
• Possibilidade de Fragmentação no Enlace;
• Solução de NAT;
• 11 codecs de áudio;
• Listas de Acesso;
• Placas de Alta Densidade E1.
Comparativo entre
Gateways (VoIP)
Switch Ethernet Alcatel OmniAccess
512 com Interfaces FXS/FXO
Switch Layer 3
12 portas ethernet 10/100
Placas de Telefonia (4 FXO e 2 FXS) Link serial (até 2 Mbps)
Funcionalidades (dependente do software instalado)
Gerenciamento de VLANs, inclusive provendo o roteamento entre elas;
Serviço de Autenticação permitindo associar usuário a VLAN correspondente; Roteamento RIP, OSPF, Multicast;
Autenticação RADIUS; Criação de VPNs;
Solução Baseada somente em H.323, com possibilidade de interação com GK. Fax Relay / Modem Relay / DTMF Relay;
Planos de Discagem Flexíveis (expr. regulares);
Qualidade de Serviço (Serviços Integrados e Diferenciados); Codificadores G.711, G.723.1, G.729A, Fax T.38.
Comparativo entre
Gateways (VoIP)
Planet VIP Gateway (Internet Telephony
Gateway 2/4/8-port)
Funcionalidades (dependente do software
instalado) – é possível realizar upgrade de firmware
• Configuração baseada em Web,
• Plano de Discagem Simples
• DTMF Relay
• Segundo Tom de Discagem
• A interface FXO é loopstart
• Codificadores G.711,G.723.1 5.3 kbps, G.723.1 6.3 kbps e G.729 AB
• Faixa de portas RTP configurável
• Não tem modelo com placas de alta densidade E1, mas pode conectar 8 portas E&M
• Não tem mais nenhuma função dentro da rede, é apenas um Gateway H.323/PSTN
Comparativo entre
Gateways (VoIP)
Preço: U$ 299.95
Hardware para Cancelamento de Eco Áudio Full-Duplex
Codificadores de Áudio baseados em Hardware reduz Atraso e Carga da CPU
Atua em conjunto com computador PC Em conjunto com software OpenH323,
como PSTN Gateway, provê uma interface FXO de telefonia IP
Não precisa de configuração de IRQ No máximo 16 placas no mesmo
computador
Creative
VoIP Blaster
Quicknet
Linejack
Preço: U$ 19.95 Possui processador DSP Atua em conjunto com computador PC
nas portas USB
Precisa de drivers do site Fobbid para
atuar
Em conjunto com software OpenH323,
como OpenPhone (ou Ohphone, no caso Linux), provê uma interface FXS de telefonia IP
