Esquemas de QoS para balanceamento de chamadas em servidores VoIP

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1 Esquemas de QoS para balanceamento de chamadas em servidores VoIP Italo Tiago da Cunha, Jamil Salem Barbar Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação Faculdade de Computação Universidade Federal de Uberlândia (UFU) Uberlândia, MG Brasil Resumo A tecnologia VoIP vem sendo empregada dia-a-dia em ambientes que até então se utilizavam exclusivamente do modelo de telefonia convencional. Seus maiores pontos atrativos se dão quanto a economia financeira e a mobilidade que a mesma propcia. No entanto, ainda como tecnologia emergente, vários são os pontos desta que necessitam não apenas de ajustes, e sim de desenvolvimento, em vista a sedimentá-la. Pontos estes aqui abordados, que são a QoS, responsável por tentar estebelecer parâmetros de qualidade, aqui no que tange a comunicação; e o balanceamento de chamadas entre os servidores VoIP (ITSPs), a fim de propciar a disponibilidade do serviço. Espera-se com a dissertação fundamentar meios pra que isto ocorra. Palavras chaves: VoIP, balanceamento de chamadas, servidores VoIP, QoS. Abstract The VoIP technology has been used nowadays in environments that were using exclusively the conventional model of telephony. The biggest attractive points are related to the financial costs and the mobility that this technology provides. As an emergent technology, there are a lot of points that need not only adjustments, but also development, in order to consolidate it. Here we will broach the QoS, responsible for trying to establish parameters of quality, here related with communication; and the call balancing between the VoIP servers (ITSPs), providing the service availability. It s expected with the upcoming dissertation to substantiate ways for this to occur. Key words: VoIP, call balancing, VoIP servers, QoS. Data de ingresso no PPGCC como aluno regular: 06 de agosto de 2006 Previsão de defesa: julho de 2008 Uberlândia MG, 14 de novembro de 2007

2 1 Introdução Com a expansão e a disseminação da Internet surgem várias tecnologias, dentre elas, tem-se a tecnologia que usa voz sobre IP, conhecida pela sigla VoIP (Voice over Internet Protocol) [9]. Usando a Internet para a transferência de voz entre sistemas finais, a VoIP tem propciado um serviço a mais, sem um custo significativo, na rede mundial de computadores. Neste contexto, a voz é equivalente a um fluxo de áudio. Decorrentes desta nova tecnologia surgem novos modelos de negócios. Ainda, o interessante dessa tecnologia está no fato da facilidade de sua integração com outras tecnologias já existentes, tais como a rede de telefonia convencional ou rede pública de telefonia comutada, melhor conhecida por PSTN (Public Switched Telephone Network). Além do mais, o custo de utilização da comunicação usando VoIP, é muito menor do que se for usado a telefonia convencional, em média cerca de 75% por ligação [5]. Por exemplo, caso queira se fazer uma ligação a partir do Brasil ao Japão utilizando a PSTN de fixo para fixo, esta ligação é tarifada em R$ 1,57/min [5], já utilizando a VoIP esta mesma ligação, ou aquela de fixo para celular, custará R$ 0,22/min através do serviço UOL VoIP. Isto acontece porque os provedores VoIP, os ITSPs (Internet Telephony Service Provider) mantém vários servidores que possibilitam a terminação com a PSTN em pontos estratégicos de vários países. No caso de para uma ligação VoIP entre Brasil e Japão, esta ligação passaria via Internet, sendo encaminhada a PSTN apenas no Japão, a um custo de ligação local, e não mais internacional, conseqüentemente uma economia imensa. A VoIP é uma tecnologia presente nas aplicações de comunicação de Internet, principalmente aquelas que usam a voz, conhecidas também como aplicações VoIP. Estas aplicações se encontram no topo do modelo de referência do TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol), mostrado detalhadamente no Apêndice A, sendo que cada camada deste modelo se interage com as outras através dos protocolos de comunicação. Assim, para que haja uma comunicação entre duas aplicações que usam a tecnologia VoIP é necessário um ou mais protocolos de comunicação. Cada uma destas aplicações VoIP é constituída por vários protocolos e codecs (COder DECoder) além de uma vasta gama de equipamentos que se propõe a trabalhar com esses protocolos e codecs. Normalmente, no cotidiano dos internautas suas aplicações fazem uso basicamente dos protocolos HTTP (Hypertext Transfer Protocol), MSNP (Microsoft Notification Protocol), POP3 (Post Office Protocol, version 3), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol), XML (Extensible Markup Language), FTP (File Transfer Protocol) e PPP (Ponit-to-Point Protocol), sendo que cada um é destinado para um determinado fim. Não é diferente com as aplicações VoIP. Dentre estes protocolos destacam-se os de sessão da VoIP, tais como o SIP (Session Initiation Protocol) e H.323, e os de transferência de dados tais como RTP (Real-time Transport Protocol), CRTP (Compressed Real-time Transport Protocol) e RTCP (Real Time Transport Control Protocol). A Figura 1 apresenta um cenário aplicando a VoIP, onde se observa computadores utilizando softphones, que são software que emulam todas as funcionalidades de um aparelho telefônico convencional além de prover outros recursos, telefones IP ou IP Phones, estando todos estes conectados por meio da Internet a um ITSP, o qual permite a terminação, ou seja, a realização de uma chamada, que nada

3 mais é que a comunicação realizada entre usuários da VoIP, ou mesmo de usuários da VoIP para linhas PSTN, e vice-versa. Figura 1 Ilustração de um cenário VoIP [7] Para possibilitar a transferência da voz ou áudio, é necessário compactar e ou descompactar estes fluxos de áudio, o que consiste em transformá-los do formato analógico para digital e vice-versa; visando com isso que uma menor banda do enlace de rede seja utilizada. Os servidores VoIP, utilizando os codecs são os responsáveis pelo encaminhamento das chamadas, bem como do seu recebimento, além de atuarem como middlewares, ou seja, intermediadores, pois podem realizar a comutação de protocolos e codecs, e aplicar os codecs a voz. Por exemplo, em um cenário VoIP pode acontecer de um usuário A estabelecer comunicação com um usuário B, no entanto o usuário A está utilizando o codec G.723, ao passo que o usuário B está utilizando o codec G.729, no entanto essa comunicação ocorre sem problema algum, pois fica a cargo do servidor VoIP a comutação entre estes dois algoritmos de forma transparente ao usuário. No entanto a figura do servidor é desnecessária quanto a middleware, isso quando da utilização do protocolo de sessão SIP e tendo os usuários A e B os mesmos codecs em comum, pois o fluxo RTP segue diretamente entre A e B, assim sendo o fluxo RTP é considerado ser peer-to-peer. Em grande parte dos cenários que usam a VoIP, a integração com a Internet ou mesmo outras LANs e MANs é indispensável, e com isso vem o problema do atraso no recebimento da voz, sendo este um grande problema, que afeta em muito a qualidade de uma ligação que utiliza a VoIP. Soluções são propostas para este problema, sendo a QoS (Quality of Service) uma linha de pesquisa muito complexa e em pleno desenvolvimento, a qual se propõe a encontrar métodos e maneiras para atenuar este problema. A QoS pode ser definida como o conjunto de características de um sistema necessário para atingir uma determinada funcionalidade. O processamento de QoS num sistema distribuído começa com o estabelecimento dos parâmetros exigidos pelo usuário. Esses parâmetros são mapeados e negociados entre os componentes do sistema, assegurando que todos podem atingir um nível de QoS aceitável. Recursos são então alocados e monitorados, havendo possibilidade de renegociação caso as condições do sistema se alterem [1]. Um ponto importante e preocupante quanto ao uso da VoIP está na necessidade do balanceamento de carga, bem como das chamadas, ou seja, à medida que o número de chamadas aumenta estas devem ser distribuídas entre os servidores VoIP de forma que eles tenham um nível de utilização justo, propiciando uma melhor utilização dos recursos disponíveis, quer seja hardware ou mesmo da banda de enlace disponível.

4 A VoIP é uma tecnologia recente, e são necessários vários estudos pra que esta se sedimente mais rapidamente. Neste sentido, contribuindo com isto, são abordados na dissertação esquemas de QoS no balanceamento de chamadas para os servidores VoIP. A motivação do uso dos esquemas de QoS se dá pela necessidade do oferecimento de confiabilidade e qualidade que uma aplicação VoIP necessita, pra que esta ofereça uma qualidade satisfatória. Pois na telefonia convencional, um canal circuito fim-a-fim é disponibilizado para o estabelecimento de uma chamada, e este se mantém até a finalização da mesma; ao contrário das aplicações VoIP que utilizam canais compartilhados, onde não trafegam apenas datagramas contendo voz, e sim diversos tipos de dados que são multiplexados e transferidos por demanda. Um ponto interessante a ser abordado será o balanceamento de chamadas em servidores VoIP (ITSP), que poderá ser baseado nas características do enlace de dados, nas capacidades de processamento dos ITSPs, nas localizações específicas das terminações de PSTNs, e fazendo uso da variação dos atrasos de propagação da voz, conhecida como jitter, a qual é um parâmetro de QoS. A utilização dos parâmetros de QoS [8] permitirá a definição de políticas para admitir e recusar chamadas, e mecanismos para estabelecimento de rotas e chamadas para os ITSPs. Primando por prover chamadas VoIP com qualidade, a qual pode ser tanto a audível ou aquela relacionada a suas disponibilidades, definindo com isto graus de confiabilidade destas chamadas. 2 Objetivos O objetivo principal da dissertação é prover um esquema de balanceamento de chamadas em servidores VoIP (ITSP) aliado a um esquema de QoS para este balanceamento. Decorrente do objetivo principal, alguns outros objetivos tão importantes quanto devem ser alcançados primeiramente e são enumerados a seguir: Esquematizar o balanceamento de carga em redes de computadores; Definir uma arquitetura de QoS para VoIP; Mapear os parâmetros de QoS de aplicações VoIP; Definir mecanismos para balanceamento de carga para ITSPs. 3 Trabalhos Correlatos A literatura traz pouquíssimos trabalhos correlatos, dentre eles destacam-se: Uma Abordagem de Plano de Controle Para QoS Dinâmica em Fluxos de Voz nas Redes IP [4]. Esta referência propõe um plano de sinalização dinâmica, que monitora a condição dos enlaces fim-a-fim e adapta as rotas de forma a manter a QoS dentro de parâmetros desejáveis de jitter e perdas aos fluxos de voz. A verificação dos resultados obtidos dos testes realizados permitirá uma modelagem do ambiente real de sistemas que fazem uso da VoIP. Isto ajudará no desenvolvimento da dissertação. Balanceamento de chamadas E.164 VoIP para a Rede de Telefonia Pública [3]. O foco desta referência está no balanceamento de chamadas para o serviço [6], serviço ao qual a UFU dispõe e não usufrui na sua totalidade, visando sobretudo a terminação das chamadas com a PSTN, são pontos desabonadores deste trabalho:

5 o a não atenção a fatores como o consumo e largura de banda nos servidores VoIP, pois a premissa tomada pelo autor se baseia em: havendo um canal livre, não importando as características do seu enlace uma chamada poder ser encaminha por este. o sobretudo, não foi proposto nenhum esquema de QoS para as chamadas, além de não ter sido apresentada nenhuma contribuição no que tange ao balanceamento das chamadas em um ambiente puramente VoIP, ou seja, sem terminação com a PSTN ou mesmo o uso desta. Call Admission Control and Traffic Engineering of VoIP [2]. Esta referência apresenta uma extensão do modelo Erlang-B para engenharia de tráfego em VoIP. o Em vista ao conteúdo apresentado neste artigo está sendo proposto o balanceamento de chamadas VoIP, tomando como premissa os limeares de QoS apresentados neste artigo, os quais estão fundamentados por estudos práticos. 4 Metodologia e Estado da Pesquisa Durante a realização deste trabalho será empregada a seguinte sistemática: Acompanhamento de pesquisas e notícias correlatas em periódicos de renome como ACM e IEEE. Uso indispensável de ferramentas de busca na Internet. Submissão de artigos em eventos científicos, congressos, simpósios, e periódicos da área de Redes de Computadores, para uma validação do que é proposto na dissertação. A pesquisa se encontra com boa fundamentação teórica, caminhando pra fase de elaboração de artigos e de escrita da dissertação. 5 Resultados Esperados Com este trabalho, além de alcançar os objetivos supracitados, espera-se: Melhorar alguns parâmetros de QoS ao nível de aplicação, tais como, inteligibilidade, disponibilidade, e confiabilidade em chamadas VoIP que se utilizam de ITSPs. Prover condições de implementação de sistemas de alta disponibilidade e alta escalabilidade em sistemas dedicados a VoIP.

6 6 Bibliografia [1] HERMANN, A. C., Qualidade de Serviço em Aplicações Multimídia Distribuídas. Disponível em: Acesso em 27 de setembro de [2] YU, J., e AL-AJARMEH, I., Call Admission Control and Traffic Engineering of VoIP, in Digital Telecommunications, ICDT '07. Second International Conference. [3] ALBUQUERQUE, A. A., Balanceamento de chamadas E.164 VoIP para Rede de Telefonia Pública f.: il. Dissertação (Mestrado em Informática) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Instituto de Matemática, Núcleo de Computação Eletrônica, Rio de Janeiro, [4] CERUTTI, F. A., Uma Abordagem de Plano de Controle Para QoS Dinâmica em Fluxos de Voz nas Redes IP Tese (Doutorado em Engenharia de Produção) Universidade Federal de Santa Catarina, Departamento de Engenharia de Produção, Florianópolis. [5] SIPT Informações de Preços e Tarifas da ANATEL (Agência Nacional de Telecomunicações). Disponível em: Acesso em 16 de outubro de 2007; sendo este o valor correspondente a uma ligação telefônica originada na cidade de Uberlândia MG, por meio da provedora telefônica local CTBC até o Japão. [6] Serviço descrição total do serviço disponível em Acesso em 13 de novembro de [7] Ilustração de um exemplo básica de conexão de um telefone IP a um Provedor de Serviços de Telefonia IP (ITSP). Disponível em: Acesso em 08 de novembro de [8] SILVA, A. J. S., Série de artigos sobre Qualidade de Serviço em VoIP Parte I e II da Rede Nacional de Ensino e Pesquisa (RNP). Disponíveis a partir de: Acesso em 20 de outubro de [9] RAMOS, J. R. S., Série de artigos sobre VoIP (1), (2), (3), (4), (5) para o site WirelessBR. Disponíveis a partir de: Acesso em 20 de outubro de 2007.

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