Desenvolvimento de uma aplicação VoIP baseada no protocolo SIP

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1 Desenvolvimento de uma aplicação VoIP baseada no protocolo SIP João Guilherme A. Martinez 1, Jucimar Maia da Silva Jr 2 1 Fucapi, Caixa Postal Manaus AM Brasil 2 Escola Superior de Tecnologia - Universidade do Estado do Amazonas Brasil Abstract. This paper describes the development of an application based on SIP protocol for VoIP communication. SIP has as its main function to perform signaling between the parties involved before any data communication transaction, therefore, it establishes, configures, or terminate a call. The application performs direct calls between two SIP clients, based on their respective IP addresses. At the end were performed tests to measure the quality of calls by the user's experience. Resumo. Este artigo descreve o desenvolvimento de uma aplicação baseada no protocolo SIP para comunicação VoIP. O SIP tem como principal função realizar a sinalização entre as partes envolvidas antes de iniciar qualquer transação de dados de comunicação, ou seja, ele estabelece, configura ou encerra uma chamada. A aplicação realiza chamadas diretas entre dois clientes SIP, baseando-se pelos seus respectivos endereços IP. Ao final foram realizados testes para medir a qualidade das chamadas a partir da experiência do usuário. 1. Introdução Com o crescimento da Internet e a digitalização das comunicações, a troca de informações por Voz Sobre IP (VoIP), que se caracteriza pelo transporte da voz utilizando-se do protocolo IP, tornou-se uma realidade. O VoIP é possível e viável graças ao protocolo IP que promove a interoperabilidade no transporte de qualquer informação pela Internet, pelo seu baixo custo e graças as redes de computadores espalhadas e interconectadas pelo mundo inteiro. Ao contrário do sistema de telefonia tradicional que se utiliza da permutação de circuitos e reserva uma quantidade de banda para cada usuário, a comunicação por troca de pacotes oferece o compartilhamento da banda sob demanda além do fato de ser mais simples, eficiente e barato para implementar [Kurose 2013]. Entretanto, dentro desse cenário surgem outros desafios inerentes a uma rede que não é exclusiva para o transporte de voz, como perda de pacotes, chegada não-ordenad a destes, largura de banda mínima, compressão e descompressão da mídia, dentre outros. Uma proposta para lidar com estes desafios é o uso do protocolo SIP (Session Initiation Protocol) [RFC ] que atua como auxiliar no processo de iniciação de uma conversa por voz, semelhante a um sinalizador, ou seja, ele estabelece, configura e encerra uma chamada entre as duas partes envolvidas, permitindo assim que a aplicação saiba o momento certo que deve enviar e receber pacotes de voz e qual deve ser o destino de tais pacotes. Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

2 Segundo [Collins 2000], por ser um protocolo simples e de fácil compreensão, o SIP permite um desenvolvimento ágil de aplicações, além de acelerar o estabelecimento de chamadas e permitir a troca de demais informações que possam vir a ser úteis. O objetivo deste é trabalho é desenvolver uma aplicação VoIP utilizando o protocolo SIP e realizar experimentos relativos à qualidade da transmissão segundo a perspectiva do usuário em termos da Qualidade da Experiência (QoE) do mesmo. O restante do artigo é organizado como segue, na seção 2 é feita uma visão geral sobre a importância do VoIP nas telecomunicações e os princípios básicos de funcionamento. Na seção 3 é apresentado o protocolo SIP e seu funcionamento. Na seção 4 é apresentada a aplicação, como foram feitos os testes e os resultados. Na seção 5 é apresentada uma conclusão. 2. Voz sobre IP O termo Voz sobre IP (VoIP) segundo [Collins 2000] designa o processo de comunicação por voz utilizando as redes baseadas no protocolo IP. Ao contrário da telefonia tradicional analógica, oferece a possibilidade da convergência de dados de voz com outros tipos de dados em uma única tecnologia, as redes de computadores, incluindo a Internet. Dentre as vantagens oferecidas pelo VoIP estão o baixo custo devido ao grande número de redes IP já instaladas e operantes em empresas, residências e universidades, a isenção de tarifas das operadoras telefônicas, convergência de voz e dados em uma única rede centralizando manutenção e gerência e a possibilidade de integrar outros serviços como chat, vídeo, correio de voz, entre outros Parâmetros de Qualidade Ao contrário da rede telefônica tradicional, nas redes IP existem vários tipos de dados trafegando concorrentemente. Logo o canal de comunicação não é exclusivo podendo assim comprometer a qualidade das chamadas de voz. Para garantir confiabilidade à qualidade de chamadas VoIP, a aplicação precisa atender parâmetros mínimos de qualidade evitando assim que o usuário tenha uma má experiência conforme [Nazario 2003]. Um dos parâmetros é o one-way delay (tempo necessário para a informação ir ao destino) que deve ser no máximo de 400ms para telefonia de acordo com a recomendação G.114 da [ITU-T 2003], caso contrário o usuário pode não compreender a fala do outro prejudicando a comunicação entre ambas as partes. O jitter (variação do atraso) também deve ser minimizado o máximo possível tratando-se de comunicação em tempo real, porque mesmo com algum delay ainda é possível realizar ajustes, mas se torna complicado quando o mesmo entra em variação. Outro problema que surge é a perda de pacotes que para uma boa transmissão deve ser evitada ao máximo mas ainda é tolerável desde que represente somente 5% do total dos pacotes enviados de acordo com [Collins 2000]. É muito mais válido para a comunicação perder alguns pacotes do que a aplicação ter de iniciar um processo de reenvio, espera e reorganização da mídia, processo que gera um delay perceptível. Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

3 2.2. Técnicas de Codificação de Voz A codificação da voz consiste na digitalização binária do sinal analógico sonoro da voz emitida e vice-versa. As técnicas de codificação se tornam importantes em aplicações VoIP pois menos bits serão utilizados para transmitir a voz reduzindo assim o custo e a largura de banda necessária. Algumas técnicas diminuem a qualidade do sinal original. Quanto menor for a largura de banda almejada ao final do processo, pior a qualidade. Alguns algoritmos podem fornecer maior qualidade, porém deteriorando em poder de processamento no receptor e no emissor. Dentre algumas codificações já criadas e utilizadas em outras aplicações pode-se citar o G.711 que é um dos mais utilizados conforme [Camarillo 2001], além do G.726, G.728, G.723.1, G.729, dentre outros, cuja largura banda mínima variam de 64 kbps até 5,3 kpbs. No momento da escolha do codificador para uma determinada aplicação é importante ponderar entre a largura de banda exigida, atraso induzido pelo processamento e a qualidade do sinal. 3. Session Initiation Protocol (SIP) Conforme descrito na [RFC ] é considerado um protocolo simples, mas que ganha força perante os desenvolvedores pelo simples fato que aplicações podem ser desenvolvidas mais rápido e estar disponível para os clientes mais cedo. Figura 1. Pilha de protocolos O SIP é um protocolo de sinalização que em conjunto com alguns outros protocolos tem como principal funcionalidade a configuração, modificação e encerramento de sessões multimídia pela Internet e sua popularidade tem crescido tanto que é visto como o futuro das aplicações VoIP. Foi criado para trabalhar em conformidade com qualquer outro protocolo de transporte que seja o encarregado pela mídia em si, como por exemplo, o RTP descrito na RFC 3550 (2003), ou seja, é trabalhado de forma separada. A Figura 1 apresenta como os protocolos ficam estruturados em cada camada de rede Vantagens do SIP O SIP se torna poderoso por sua simplicidade, buscando ater-se ao simples procedimento da sinalização, acelerando o estabelecimento das chamadas além de ter a Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

4 capacidade de carregar informações adicionais, possibilitando assim que serviços melhores e mais completos sejam desenvolvidos passando a frente dos outros protocolos. Na Tabela 1 é apresentada algumas vantagens do SIP em relação ao protocolo H.323, também utilizado para o estabelecimento de chamadas em redes IP. Eis algumas das vantagens na utilização do protocolo SIP, segundo [Camarillo 2001]: Faz parte do Toolkit do IETF (Internet Engineering Task Force), que projetou o protocolo focado no paradigma da Internet cumprindo seu papel e aproveitandose de outros mecanismos da Internet para realizar tarefas adicionais, provendo assim alta flexibilidade já que sistemas SIP em conjunto com outros protocolos da Internet podem ser atualizados de maneira modular. Tem a responsabilidade somente de estabelecer uma sessão sem a necessidade de descrevê-la, ou seja, torna-se possível trabalhar com diversos protocolos para descrever uma sessão independente de seu tipo. Por atuar como um protocolo fim-a-fim focado na entrega do serviço de uma ponta a outra, torna-se eficiente já que os servidores SIP somente precisam rotear os pacotes sem a necessidade de processar os dados descritivos da sessão. Foi designado para que qualquer aplicação que o utilize seja capaz de se comunicar com outra desenvolvida por um terceiro, sem problemas tornando-se assim um protocolo genuinamente global. É escalável já que a comunicação final entre as aplicações não necessita do servidor, permitindo que este manipule um grande número de sessões. A possibilidade de combinar serviços como navegação web, , vídeoconferência e mensagens instantâneas. Tabela 1. Comparativo entre SIP e H.323 Filosofia Complexidade Codificação das mensagens SIP H.323 Concebido para estabelecer uma conexão entre dois pontos de forma flexível Inicialmente focado na comunicação por voz e depois se expandiu para incluir vídeo, chat e outros, de forma livre ASCII, adequado para leitura humana Projetado para comunicação multimídia incluindo áudio, vídeo e dados Limitado a conferência multimídia Formato binário 3.2. Transações O protocolo SIP trabalha com requisições e respostas para realizar suas transações. As respostas possuem um status code para informar o resultado da requisição pela qual está respondendo conforme [Collins 2000]. As principais requisições SIP são de 6 tipos e acompanham um campo method que denota a funcionalidade de cada uma. As requisições são INVITE, ACK, OPTIONS, BYE, CANCEL e REGISTER. Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

5 A Figura 2 ilustra um exemplo de uma transação simples entre duas máquinas. Inicialmente o cliente que deseja se comunicar convida o outro enviando um INVITE. Automaticamente a aplicação destinatário responde com o código 180 para avisar ao remetente que no destinatário a aplicação está tocando para alertá-lo da chamada iminente. Assim que a chamada é atendida, o destinatário envia um OK para o remetente e este confirma o recebimento com um ACK, a partir daí ambos estão conectados e inicia-se a transferência imediata de voz entre ambos até que um dos dois envie um BYE para finalizar a chamada e o outro somente precisa responder com um OK confirmando o fim da chamada. Figura 2. Fluxo de chamada simples Juntamente com o SIP também é utilizado o protocolo SDP (Session Description Protocol) que é definido pela [RFC ] cuja função é descrever as informações necessárias relativas a sessão de troca de mídia, bem como formatos, endereços e portas. 4. Aplicação e Testes A aplicação foi desenvolvida utilizando-se a linguagem de programação Java por ser multiplataforma e muito difundida conforme mostra o ranking das linguagens de programação mais populares do [TIOBE], além de prover certa facilidade para trabalhar com programação de protocolos de rede. As funcionalidades básicas da aplicação são permitir o login do usuário, realizar chamadas, encerrar ou rejeitar chamadas e atender chamadas conforme o diagrama de casos de uso da Figura 3. Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

6 Figura 3. Diagrama de casos de uso 4.1. Testes Foram realizados alguns experimentos com a aplicação para comprovar sua eficácia em funcionamento. Os experimentos foram avaliados levando em consideração somente a Qualidade de Experiência (QoE) do usuário, uma medida subjetiva referente a experiência do usuário em relação ao serviço oferecido conforme [Lorenz 2012]. Em termos práticos, o usuário faz uma avaliação do funcionamento da aplicação dentro de uma escala simples que varia de péssimo a ótimo. A Figura 4 apresenta a tela da aplicação para que o usuário possa inserir o nome e o IP do destino e chamá-lo ou sair da aplicação. A Figura 5 mostra a tela que informa o usuário sobre o estado atual da chamada com um botão para que ele possa desligar-se. Figura 4. Tela para realizar chamada Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

7 Figura 5. Tela de chamada em andamento Para realizar alguns dos experimentos foi selecionada uma aplicação de terceiros para comprovar a eficácia da aplicação desenvolvida de modo que esta pudesse se comunicar sem problemas. Para isto foi escolhido o Jitsi [Jitsi], um software de comunicação de áudio, vídeo e chat que suporta o protocolo SIP, livre de código aberto e disponível sob os termos da LGPL (Lesse General Public License) [Wikipédia]. Foram realizados quatro experimentos em situações distintas conforme abaixo: Experimento A: Realizar uma chamada entre a aplicação desenvolvida e o Jitsi. O experimento foi realizado em rede local entre duas máquinas conforme ilustrado na Figura 6. Experimento B: Também realizado em rede local mas entre duas cópias da aplicação desenvolvida. Experimento C: Foram realizadas chamadas entre a aplicação e o Jitsi no ambiente da Internet conforme ilustrado na Figura 7. Experimento D: Foram realizadas chamadas entre duas cópias da aplicação no ambiente da Internet. Nos experimentos A e B, a primeira máquina utilizada estava equipada com um processador Intel Pentium P6200, 4GB de RAM e sistema operacional Windows 7 de 64 bits. A segunda máquina estava equipada com um processador Intel Core 2 Duo, 4GB de RAM e sistema operacional Linux Ubuntu de 64 bits. Nos experimentos C e D, a primeira máquina utilizada estava equipada com um processador Intel Pentium P6200, 4GB de RAM, sistema operacional Windows 7 de 64 bits e largura de banda disponível de 5 Mbps. A segunda máquina estava equipada com um processador Intel Core 2 Duo, 3GB de RAM, sistema operacional Windows 7 de 64 bits e largura de banda disponível de 10 Mbps. Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

8 Figura 6. Ambiente dos experimentos A e B Figura 7. Ambiente dos experimentos C e D 4.2. Resultados Em cada experimento foram realizadas 5 (cinco) chamadas totalizando 20 (vinte) chamadas, e em 20 (vinte) destas foi possível que os usuários realizassem a chamada conseguindo ter uma conversa. As pessoas que avaliaram a qualidade das chamadas reclamaram de um pequeno barulho que surge no início de cada chamada, mas que desaparece após um tempo. Quanto à qualidade da chamada em geral devido a algumas perdas de pacote, as chamadas foram classificadas com qualidade Boa. Nos experimentos C e D, devido ao fato das máquinas estarem em redes diferentes, recebem IPs diferentes, portanto foi necessário fazer uma modificação no código-fonte da aplicação informando manualmente o IP externo para que a aplicação Jitsi pudesse direcionar de forma correta seus pacotes. E também necessário que os roteadores das extremidades fossem configurados para permitir que pacotes externos fossem direcionados às máquinas do experimento. Nos experimentos realizados na Internet a qualidade das chamadas foi avaliada pelos participantes como ótima, sendo este um fato curioso já que se espera que em rede local a qualidade seja sempre superior à Internet devido a curta distância e menor número de roteadores e switch entre as máquinas. A rede em que foram realizados os experimentos A e B apresenta muita instabilidade devido aos proxys e ao firewall que produzem overhead na rede congestionando o tráfego de pacotes. Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

9 5. Conclusão A aplicação desenvolvida neste trabalho apresenta o uso do protocolo SIP para realizar chamadas dentro de uma rede IP, tanto em redes locais como na Internet, demonstrando assim que é possível utilizar deste para criar diversas aplicações livres, oferecendo uma nova alternativa para comunicação frente à telefonia tradicional e aos sistemas proprietários. Os resultados dos testes comprovam a eficácia da aplicação não somente devido ao sucesso alcançado ao realizar chamadas entre cópias da mesma mas também pela comunicação bem sucedida com a aplicação Jitsi, que atuou como benchmark para alguns experimentos. O desenvolvimento da aplicação demonstra como é possível e muitas vezes viável para algumas organizações ou empresas que desejam implantar uma rede de telefonia local, aproveitar a infraestrutura já existente das Redes IP, que freqüentemente já são encontradas nas empresas para acesso a Internet, e assim economizar muito em custos de implantação, taxas de operadoras e licenças de softwares proprietários Trabalhos Futuros Dentre os trabalhos futuros inclui-se: integração com banco de dados para armazenamento de contatos, histórico e credenciais; suporte a um número maior de codificações; capacitar comunicação com servidores SIP; desenvolver aplicação cliente para o sistema operacional Android. Referências Collins, D. (2000) Carrier Grade Voice Over IP, McGraw-Hill, first edition. Camarillo, G. (2001) SIP Demystified, McGraw-Hill, first edition. da Silva Bezerra, R. M. (2005) Um estudo do protocolo SIP e sua utilização em redes de telefonia móvel. da Silva Junior, J. M. (2003) Uma aplicação de voz sobre IP baseada no Session Initiation Protocol, Tese de mestrado, Universidade Federal de Pernambuco. Gonçalves, A. M. e Hommerding, R. (2006). Implementação didática de telefone voip por software utilizando protocolo sip. Marcondes, C. A. C. e de Aguiar Rodrigues, P. H. (2002). Serviço robusto de web-todial baseado em sip e Java applet. Nazario, D. L. (2003). Protótipo de um sistema de telefonia ip para lans baseado no padrão SIP. Singh, K. e Schulzrinne, H. (2005). Peer-to-peer internet telephony using sip. Lorenz, P. (2012) QoS and QoE in the Next Generation Networks and Wireless Networks. Kurose e Ross (2013). Computer Networking. A Top-Down Approach. Sixth Edition. RFC 3261 (2002). The Internet Society. RFC 3550 (2003). The Internet Society. Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

10 RFC 4566 (2006). The Internet Society. H.323 versus SIP: A Comparison. Packetizer. Jitsi. ITU-T. Recommendation G.114 (2003) I/en Wikipédia. LGPL. TIOBE. Manaus, 25 a 27 de abril de ISSN (CDR)

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