VoIP O caso da Universidade do Minho

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto DEEC > DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELECTROTÉCNICA E DE COMPUTADORES Mestrado em Redes e Sistemas de Comunicação Sistemas Multimédia VoIP O caso da Universidade do Minho Albano Serrano e Rui Ferraro Vaz Julho 2004

2 Índice I Parte Teoria de VoIP 1. Introdução Origem do VoIP Telefonia tradicional versus VoIP Telefonia tradicional Telefonia IP Protocolo de Transporte RTP RTCP Codificação Detalhes de alguns standards do ITU Qualidade de Serviço Qualidade de serviço em Ethernet Qualidade de serviço em IP Protocolos de Sinalização H Modo de funcionamento do H SIP Comparação entre o H.323 e o SIP II Parte O caso da Universidade do Minho 6. Enquadramento Caracterização da rede de voz Caracterização da rede de dados Convergência IP Motivação Backbone IP/MPLS Caracterização de acessos Routers multiserviço Interligação de centrais telefónicas Processamento de voz Qualidade de Serviço Sinalização Encaminhamento de chamadas Monitorização Telefonia IP Cenário típico Piloto de telefonia IP Arquitectura Componentes e funções Call Manager Express Gateways de VoIP Telefones IP Contabilização de chamadas Conclusões Referências...36

3 I Parte Teoria do VoIP

4 1. Introdução Este trabalho aborda na segunda parte o tema VoIP numa perspectiva essencialmente prática ao revelar um caso real de utilização desta tecnologia numa instituição pública: Universidade do Minho. Com o detalhe possível são apresentados aspectos da implementação da solução. No entanto, nesta primeira parte são abordados os conceitos essenciais relacionados com a tecnologia VoIP e que ajudam a compreender as opções que foram feitas na implementação da Universidade do Minho. 1.1 Origem do VoIP No passado a rede pública comutada de telefones (PSTN) era utilizada principalmente para comunicações de voz e um pouco para comunicações de dados. Porém, o tráfego de dados cresceu e, por volta de 1999, igualou o tráfego de voz. Em 2002, o volume do tráfego de dados era dez vezes superior ao volume do tráfego de voz, e ainda continua a crescer exponencialmente, enquanto que o tráfego de voz permanecia quase no mesmo nível (crescendo cerca de 5% por ano) Como consequência desses números, muitos operadores de redes de comutação de pacotes interessaram-se em transportar voz sobre as suas redes de dados. A largura de banda adicional exigida para a voz é muito pequena, tendo em conta a capacidade das redes de dados para suportar o respectivo tráfego. No entanto a conta telefónica de um consumidor médio provavelmente é maior que a sua conta de Internet, e assim os operadores de redes de dados viram na telefonia sobre Internet um modo de ganhar dinheiro extra, sem sequer terem de investir em novas infra-estruturas. Deste modo, nasceu a telefonia na Internet, vulgarmente conhecida como voz sobre IP (VoIP). 1.2 Telefonia tradicional versus VoIP É útil conhecermos o mecanismo básico de funcionamento da rede telefónica tradicional (PSTN), de forma a podermos compreender melhor a tecnologia VoIP Telefonia tradicional Na telefonia tradicional existe uma conversão analógica-digital que ocorre nas centrais telefónicas (codificação PCM G.711). Essa conversão é baseada na agregação de amostras de voz (de 1byte) a cada 125 µs (frequência de 8 khz), o que se traduz numa largura de banda de 64 Kbps. Assim, a voz circula num circuito digital dedicado de 64 kbps. Sendo essa banda alocada completamente para a sessão de voz. No extremo, o sinal digital é convertido novamente em analógico para ser enviado ao assinante. A telefonia tradicional é baseada em comutação de circuitos, o que leva a que não existam filas ou ocorram atrasos intermédios. Os dígitos marcados no telefone são utilizados para estabelecer a rota até ao destino. No caso de um canal de 64 kbps não estar disponível em qualquer comutação intermédia, o estabelecimento da chamada é interrompido. Quando se ouve o toque de chamada no destino, significa que um circuito extremo-a-extremo de 64 kbps foi estabelecido. Existem ainda serviços complementares no PBX (chamada em espera, encaminhamento e transferência de chamadas, etc.). Mestrado Redes e Sistemas de Comunicação Julho-2004 Página 4 de 36

5 1.2.2 Telefonia IP No caso da telefonia IP as amostras de voz são acumuladas em pacotes IP e enviadas pela Internet. Este envio pode ser efectuado sem compressão, resultando numa taxa de voz de 64 kbps, tal como era na telefonia tradicional. No entanto, pode ocorrer compressão, resultando em taxas de voz até 5,3 kbps, desta forma é possível efectuar uma economia da largura de banda utilizada. Para ajudar nesta economia de largura de banda também é possível efectuar a supressão dos intervalos de silêncio. No entanto esta tecnologia, por ser baseada em comutação de pacotes, está sujeita à ocorrência de diversos problemas, os quais afectam seriamente a sua qualidade de serviço. Esses problemas encontram-se relacionados com atrasos, variações de atraso (jitter) e perda de pacotes ocorridos na ligação. A figura seguinte esquematiza os cenários VoIP: PBX Gateway INTERNET Gateway Gateway INTERNET Telefone IP INTERNET Telefone IP Telefone IP Figura 1: Diversos cenários VoIP. Mestrado Redes e Sistemas de Comunicação Julho-2004 Página 5 de 36

6 2. Protocolo de Transporte À medida que a rádio e a telefonia na Internet, a music on demand, o vídeo on demand, as videoconferências e outras aplicações de multimédia se tornavam mais comuns, verificava-se que cada aplicação estava aproximadamente a reinventar o mesmo protocolo de transporte em tempo real. Aos poucos, ficou claro que seria importante ter um protocolo genérico de transporte em tempo real para várias aplicações. Desse modo foi criado o RTP (Real-time Transport Protocol), o qual se encontra descrito no RFC RTP A posição do RTP na pilha de protocolos é um pouco estranha. Foi decidido que ele deveria ser inserido no espaço do utilizador, e ser executado sobre o UDP. O modo de operação do RTP é descrito em seguida. A aplicação de multimédia consiste em vários fluxos de áudio, vídeo, texto e, possivelmente, ainda noutros fluxos. Esses fluxos são armazenados na biblioteca RTP, que se encontra no espaço do utilizador, juntamente com a aplicação. Essa biblioteca efectua a multiplexagem dos fluxos e codifica-os em pacotes RTP, que são colocados num socket. Na outra extremidade do socket (no núcleo do sistema operativo), os pacotes UDP são gerados e incorporados em pacotes IP. Se o computador estiver numa rede Ethernet, os pacotes IP são inseridos em frames Ethernet para a transmissão. As figuras seguintes mostram a posição do RTP na pilha de protocolos figura 2(a) e o encapsulamento dos pacotes figura 2(b). Figura 2: (a) a posição do RTP na pilha de protocolos; (b) o encapsulamento dos pacotes. Como consequência dessa estrutura, é um pouco difícil dizer em que camada o RTP se encontra. Como ele funciona no espaço do utilizador e está vinculado ao programa aplicativo, certamente parece ser um protocolo de aplicação. Por outro lado, é um protocolo genérico e independente das aplicações às quais apenas fornece recursos de transporte, e assim também é semelhante a um protocolo de transporte. Talvez a melhor descrição do RTP seja como um protocolo de transporte implementado na camada de aplicação. A função básica do RTP é multiplexar diversos fluxos de dados de tempo real sobre um único fluxo de pacotes UDP. O fluxo UDP pode ser enviado a um único destino (unicast) ou a vários destinos (multicast). Como o RTP utiliza simplesmente o UDP, os seus pacotes não são tratados de maneira especial pelos routers, a menos que alguns recursos de qualidade de serviço do IP estejam activos. Em particular, não existe nenhuma garantia especial de entrega de pacotes. Cada pacote enviado num fluxo RTP numerado sequencialmente. Essa numeração permite ao destino descobrir se falta algum pacote. Se um pacote for omitido, a melhor acção que o Mestrado Redes e Sistemas de Comunicação Julho-2004 Página 6 de 36

7 destino deve executar é fazer a aproximação do valor que falta por interpolação. A retransmissão não é uma opção prática, pois o pacote retransmitido provavelmente chegaria tarde demais para ser útil. Como consequência o RTP não tem nenhum controlo de fluxo, nenhum controlo de erros, nenhuma confirmação e nenhum mecanismo para solicitar retransmissões. Cada carga útil do RTP pode conter várias amostras, e elas podem ser codificadas de qualquer forma desejada pela aplicação. Para permitir a interoperação, o RTP define vários perfis (por exemplo, um único fluxo de áudio) e, para cada perfil, podem ser permitidos vários formatos de codificação. O RTP fornece um campo de cabeçalho no qual a origem pode especificar a codificação, mas que não tem nenhum outro envolvimento na maneira de realizar a codificação. Outro recurso de que muitas aplicações em tempo real necessitam é a marcação com timestamps. Aqui, a ideia é permitir que a origem associe um timestamp com a primeira amostra em cada pacote. Os timestamps são relativos ao inicio do fluxo, e assim somente as diferenças entre os timestamps são significativas.os valores absolutos não têm nenhum significado. Esse mecanismo permite ao destino realizar alguma bufferização e reproduzir cada amostra depois de um número correcto de milisegundos, contados desde o início do fluxo, independente de quando chegou o pacote contendo a amostra. O uso de timestamps não reduz apenas os efeitos da flutuação, mas também permite a sincronização de vários fluxos. O cabeçalho do RTP está ilustrado na figura 3. Ele consiste em três palavras de 32 bits e, potencialmente, algumas extensões. Figura 3: Cabeçalho RTP. A primeira palavra contém o campo version, o qual já se encontra na sua segunda versão. O próximo bit é o bit de padding (P), que é activado em circunstâncias em que o payload do RTP tenha sofrido padding por alguma razão. Os dados do RTP podem sofrer padding para preencher um bloco de um certo tamanho requisitado, por exemplo, por um algoritmo de encriptação. O último byte do padding informa quantos bytes foram acrescentados. O bit X indica que um cabeçalho de extensão está presente. O formato e o significado do cabeçalho de extensão não são definidos. O único detalhe definido é que a primeira palavra da extensão fornece o comprimento. O campo CC informa quantas origens de contribuição (CSRC identifiers) estão presentes, de 0 a 15. O bit M é um bit marcador específico da aplicação. Ele pode ser usado para marcar o começo de uma frame de vídeo, o começo de uma palavra num canal de áudio ou qualquer outro elemento que a aplicação reconheça. Mestrado Redes e Sistemas de Comunicação Julho-2004 Página 7 de 36

8 O campo Payload type informa que um algoritmo de codificação foi utilizado (por exemplo, MP3). Tendo em vista que todos os pacotes apresentam esse campo, a codificação pode mudar durante a transmissão. O campo Sequence Number é apenas um contador incrementado em cada pacote RTP enviado. É utilizado para detectar pacotes perdidos. O Timestamp é produzido pela origem do fluxo para anotar quando a primeira amostra no pacote foi realizada. Esse valor pode ajudar a reduzir a flutuação no receptor. O Synchronization source identifier informa a que fluxo o pacote pertence. Esse é o método utilizado para multiplexar e desmultiplexar vários fluxos de dados num único fluxo de pacotes UDP. Finalmente, os campos Contributing source identifiers (CSRC), se estiverem presentes, serão utilizados quando existirem misturadores (mixers) de áudio. Nesse caso, o misturador será a origem de sincronização, e os fluxos que estão a sofrer a mixagem serão listados nesse campo. 2.2 RTCP O RTCP (Real-time Transport Control Protocol) é necessário para controlar os canais do RTP. Cuida do feedback, da sincronização e da interface com o utilizador, mas não transporta quaisquer dados. A primeira função pode ser utilizada para fornecer feedback sobre atrasos, flutuação, largura de banda, congestionamentos e outras propriedades de rede para as origens. Essas informações podem ser utilizadas pelo processo de codificação para aumentar a taxa de dados (e oferecer melhor qualidade) quando a rede estiver com bom funcionamento e para reduzir a taxa de dados quando existirem problemas na rede. Fornecendo feedback contínuo, os algoritmos de codificação podem ser adaptados continuamente para oferecer a melhor qualidade possível sobre as circunstâncias actuais. Por exemplo, se a largura de banda aumentar ou diminuir durante a transmissão, a codificação pode passar de MP3 para PCM de 8 bits e para codificação delta, conforme necessário. O campo Payload type é utilizado para informar o destino qual algoritmo de codificação é empregue no pacote actual, tornando possível variar o algoritmo de acordo com a necessidade. O RTCP também lida com a sincronização entre fluxos. O problema é que diferentes fluxos podem utilizar relógios distintos, com granulidades e taxas de flutuação diferentes. O RTCP pode ser utilizado para manter esses elementos sincronizados. Finalmente o RTCP fornece um modo para nomear as diversas origens (por exemplo, em texto ASCII). Essas informações podem ser exibidas no receptor, a fim de indicar com quem se está a comunicar no momento. Mestrado Redes e Sistemas de Comunicação Julho-2004 Página 8 de 36

9 3. Codificação A comunicação de voz é analógica, enquanto que as redes de dados são digitais. O processo de converter formas de ondas analógicas em informação digital é realizado através de codificadores/descodificadores CODEC s (também conhecidos como codificadores/descodificadores de voz VOCODER s). Os CODEC s utilizam DSP s (processadores digitais de sinal), analisando várias amostras de voz simultaneamente, gerando unidades de informação a intervalos regulares (10 ms, 20 ms e 30 ms são comuns). Existem diversas formas de se transformar um sinal analógico, que estão definidas por standards. O processo de conversão é bastante complexo. A maior parte das conversões são baseadas em pulse coded modulation (PCM) ou variações desta modulação. Cada esquema de codificação tem a sua própria história e mérito, em conjunto com o seu requisito de largura de banda. Em complemento à conversão analógica para digital (e o inverso), os CODEC s podem comprimir os dados e realizar o cancelamento de eco. A compressão do sinal permite poupar largura de banda. No entanto para se conseguir compressão, os CODEC s precisam de analisar um conjunto de amostras de voz de forma antecipada (lookahead), logo estes CODEC s são mais complexos, e geram maiores atrasos de codificação e descodificação. Um outro modo de se conseguir poupar na largura de banda é a utilização da supressão de silêncio, que é o processo de não se enviarem pacotes de voz entre os intervalos das conversações humanas. Esta supressão de silêncio é conseguida com recurso a detectores de actividade de voz (VAD). No entanto, o VAD pode apresentar alguns problemas indesejáveis como falhas no começo das palavras devido ao limiar para detectar a actividade da voz. A supressão de silêncio implica que, no lado do receptor, o CODEC seja capaz de gerar um ruído de conforto, para que os intervalos de silêncio não sejam perceptíveis. A utilização de compressão e/ou supressão de silêncio podem resultar em grandes poupanças de largura de banda. No entanto, existem algumas aplicações que podem ser adversamente afectadas com a compressão (por exemplo, os esquemas de compressão podem afectar o funcionamento dos modems). Outra vantagem tem a ver com os esquemas de compressão de voz baseados em low-bit-rate, tal como o G.729 e o G Nestes casos uma grande perda de pacotes ou uma variação de atraso elevada é mais visível do que num sinal não comprimido. No entanto, alguns standards implementam técnicas como a interpolação e outras, que conseguem minimizar os efeitos da perda de pacotes. A saída dos CODEC s consiste num fluxo de dados que é colocado num pacote IP e transportado pela rede até ao outro extremo. Estes extremos têm de utilizar os standards, bem como um conjunto comum de parâmetros do CODEC. O resultado da utilização de diferentes standards ou diferentes parâmetros por parte dos dois extremos, seria uma comunicação não inteligível. A tabela apresentada a seguir apresenta uma lista dos standards de codificação mais importantes, abrangidas pelo ITU (International Telecommunications Union). Como se pode ver na tabela 1, o preço a pagar por se reduzir a largura de banda é o aumento do atraso de conversão. Standard ITU Descrição Largura de Atraso de banda (Kbps) conversão/codificação (ms) G.711 PCM 64 < 1.00 G.721 ADPCM 32, 16, 24, 40 < 1.00 G.728 LD-CELP 16 ~ 2.50 G.729 CS-ACELP 8 ~ a G Multirate CELP 6.3, 5.3 ~ a Tabela 1: Standards de codificação do ITU. Mestrado Redes e Sistemas de Comunicação Julho-2004 Página 9 de 36

10 3.1 Detalhes de alguns standards do ITU De seguida apresentam-se características de alguns standards definidos pelo ITU: ITU-T G.711 (PCM) - lei A e Lei m: níveis de quantização da voz; - 64 kbps (50 ou 33 pcts/s) sem compressão; - intervalos de 20 ou 30 ms; - atraso de processamento e complexidade mínimos. O sistema PCM é definido na recomendação do ITU G.711. Ele codifica um único canal de voz realizando a amostragem vezes por segundo com amostras de 8 bits, a fim de fornecer voz descomprimida a 64 kbps. ITU G.729A - 8 kbps (50 ou 33 pcts/s); - intervalos de 20 ou 30 ms; - codificação ACELP (Algebraic-Code-Excited Linear-Prediction); - atraso de codificação: 10 ms (frame), 5 ms (lookahead), 10 ms (processamento) = 25 ms ITU-T G ,3 kbps (158bits / 30ms), - 6,3 kbps (189bits / 30ms); - tipos de codificação: ACELP para 5,3 kbps, ML-MLQ para 6,3 kbps; - algoritmo parecido com o G.729, no entanto com maior janela de observação (180 amostras); - atraso de codificação 30 ms (frame), 7,5 ms (lookahead), 30 ms (processamento) = 67,5 ms O protocolo G aceita um bloco de 30 ms de voz e utiliza a codificação preditiva com o objectivo de reduzi-las a 24 bytes ou a 20 bytes. Este algoritmo oferece uma taxa de saída de 6,3 kbps ou 5,3 kbps (factores de compactação de 10 e 12), respectivamente, com pequena perda na qualidade. Mestrado Redes e Sistemas de Comunicação Julho-2004 Página 10 de 36

11 4. Qualidade de Serviço A qualidade de voz de uma ligação VoIP depende directamente da rede que está a ser utilizada. A perda de pacotes, os atrasos e a variação de atraso (jitter) contribuem para a degradação da qualidade da voz. Além disto, congestionamentos (devido à falta de buffers num ponto qualquer da rede) podem ocorrer a qualquer momento durante a ligação VoIP. Para se obter a qualidade de serviço VoIP desejada, é necessário implementar mecanismos que reduzam o número de pacotes descartados em momentos de saturação da rede e minimizem o atraso (fixo e variável) existente durante a ligação. Idealmente as perdas deveriam ser menores do que 1% do tráfego (sendo que valores menores que 2% ainda são aceitáveis). Estas perdas podem ser causadas por congestionamentos ou atrasos (dependendo do CODEC o impacto da perda é maior ou menor). Mecanismos de Forward Error Correction (FEC) ou redundância de caminhos podem ser utilizados para prevenir essas perdas, no entanto aumentam o tráfego na rede e só são suportados por CODECs mais recentes. As alternativas de recuperação podem ser baseadas em interpolação. O caso da variação do atraso também é crítico, uma vez que se esse atraso for alto o pacote, é então, considerado perdido. No que respeita ao atraso, para se poder manter uma conversa interactiva o atraso máximo extremo-a-extremo deve ser inferior a 150 ms (ITU-T), embora na prática, valores de 200 ms ainda são toleráveis. Existem diversas componentes de atraso que podem influenciar o mesmo: Atraso nos codificadores de voz (25 ms - G.729A, até 100 ms G723.1); Buffer de compensação de jitter (30 a 60 ms); Filas dos elementos de rede (variável); Propagação no meio físico (10 ms / 1000 Km); Atrasos de serialização (tempo para a transmissão de pacotes que já estão em fila no buffer de transmissão FIFO da interface física). Deste modo o tráfego de voz deve sempre ter tratamento prioritário nas filas de transmissão. Assim sendo a opção é utilizar prioridade para o tráfego de voz, nas camadas de ligação e rede. Na etapa de classificação dos pacotes é necessário implementar mecanismos que identifiquem e marquem cada pacote ou fluxo na rede, facilitando um posterior tratamento diferenciado. Tal classificação deve ser realizada o mais próximo possível da origem, podendo ser feita tanto no nível 2 quanto no nível 3. A classificação de pacotes no nível 2 é feita através dos campos definidos na norma 802.1Q/p (Layer 2 Class of Service CoS). No nível 3, a classificação é feita através do campo IP Precedence / Differentiated Services Code Point (DSCP), utilizando o campo TOS (Type of Service) do cabeçalho IPv Qualidade de serviço em Ethernet Em nível 2 a forma que existe para controlar a qualidade de serviço é recorrer à norma 802.1Q/p, a qual é referente a LAN s virtuais (VLAN s). Como se vê na figura seguinte, uma frame 802.1Q/p contém um campo referente a prioridade de tráfego (COS) composto por três bits (PRI). Esse campo torna possível distinguir o tráfego de tempo real permanente, do tráfego de tempo real provisório e do tráfego não relacionado Mestrado Redes e Sistemas de Comunicação Julho-2004 Página 11 de 36

12 com o tempo, com a intenção de fornecer melhor qualidade de serviço em redes Ethernet. Ele é necessário para cenários de voz sobre Ethernet. Tagged Protocol Identifier (TPID) 0x8100 identificador do protocolo IEEE 802.1Q (VLAN) Tagged Control Information (TCI) 3-bit de IEEE 802.1p (PRI), COS (class of service) 1-bit CFI (canonical format identifier) 12-bit identificador de VLAN (VLAN ID) Figura 4: Formato de tramas 802.1Q/p. 4.2 Qualidade de serviço em IP Historicamente, as redes IP têm baseado o seu funcionamento num modelo de serviços besteffort, caracterizado por não fornecer quaisquer garantias quanto à entrega ou ao atraso na entrega de pacotes. Com o objectivo de suportar na mesma infra-estrutura IP aplicações de dados elásticas e aplicações com requisitos de tempo real tornou-se necessário criar extensões ao modelo tradicional best-effort, que incluam o suporte de diferentes níveis de QoS e a capacidade de gerir a atribuição de recursos por classes de tráfego. Desta forma é possível recorrer a dois mecanismos diferentes, mas que utilizam o mesmo campo do cabeçalho IP, a precedência IP ou a utilização de serviços diferenciados (DSCP).O campo do cabeçalho IP que é utilizado para tal efeito é o TOS (Type of Service). Precedência IP utiliza os 3 bits mais significa-tivos do campo TOS Serviços diferenciados (DiffServ) utiliza os 6 bits mais significativos do campo TOS como Code Points (DSCP RFC 2474) Figura 5 Cabeçalho IPv4 O campo Type of Service é destinado a distinguir diferentes classes de serviço. São possíveis várias combinações de fiabilidade e velocidade. Quando se trata de voz digitalizada, a entrega rápida vence a entrega segura. Para a transferência de arquivos, uma transmissão sem erros é mais importante do que uma transmissão rápida. Originalmente, o campo de 6 bits continha (da esquerda para a direita) um campo Precedence de 3 bits e três flags (D, T e R). O campo Precedence tinha uma prioridade que variava de 0 Mestrado Redes e Sistemas de Comunicação Julho-2004 Página 12 de 36

13 (normal) a 7 (pacote de controlo da rede). Os três bits de flags permitiam que o host especificasse o que era mais importante no conjunto {Atraso (Delay), -valores de débito (Throughput), Fiabilidade (Reliability)}. Mais tarde, o IETF resolveu alterar ligeiramente o campo de forma a suportar serviços diferenciados. Assim os serviços diferenciados são suportados com base num campo DS (Differentiated Services) que foi definido de forma a ser compatível com os octetos Type of Service (TOS) em IPv4 e Traffic Class em IPv6. Seis dos bits são utilizados para indicar a que classe de serviço (best-effort, Assured Forwarding ou Expedited Forwarding) pertence cada pacote Differentiated Services codepoint (DSCP). O modelo de Serviços Diferenciados (DiffServ) tem como principal objectivo permitir a discriminação (diferenciação) de serviços, de forma escalável, sem necessidade de manter informação de estado por fluxo e de executar procedimentos de sinalização em cada nó da rede. Um serviço define características importantes associadas à transmissão de pacotes (numa direcção) através de nós da rede. Os atributos do serviço podem ser especificados em termos quantitativos (por exemplo, valores de débito, atraso, variação de atraso e/ou taxa de perdas, expressos de forma determinística ou probabilística) e em termos de prioridades relativas no acesso a recursos (por exemplo, uma simples diferenciação em classes). A diferenciação permite suportar requisitos heterogéneos das aplicações e satisfazer diferentes expectativas dos utilizadores, bem como aplicar tarifas diferenciadas por serviço. A classe Assured Forwarding do modelo DiffServ caracteriza-se por uma elevada probabilidade de entrega (maior fiabilidade do que o best-effort), desde que o tráfego agregado gerado por cada cliente não exceda o débito subscrito (mesmo em situação de congestionamento, tráfego conforme deve receber um serviço idêntico ao esperado numa rede moderadamente carregada). São especificadas quatro classes e três níveis de precedência para descarte em cada classe, a que correspondem doze DS codepoints, isto é, doze níveis diferentes de garantias de entrega (prioridades). A classe Expedited Forwarding oferece garantias de serviço extremo-a-extremo, com base num mecanismo de controlo de admissão por fluxo. Este serviço caracteriza-se por uma pequena taxa de perda de pacotes, uma pequena latência, um jitter reduzido e largura de banda garantida. A este serviço corresponde um único DS codepoint. Este serviço, também designado por Premium, é especificado por um peak bit rate (de um fluxo ou de um agregado) e pode ser utilizado em aplicações como VoIP, videoconferência ou para emular uma linha dedicada virtual. Tipo de tráfego Classificação de tráfego Tráfego de Voz DSCP EF, IP Precedence 5, COS 5 Tráfego de Sinalização de Voz DSCP AF31, IP Precedence 3, COS 3 Videoconferência DSCP AF41, IP Precedence 4, COS 4 Streaming de Vídeo DSCP AF13, IP Precedence 1, COS 1 Dados Críticos GOLD (DSCP AF21-23, IP Precedence 2, COS 2) SILVER (DSCP AF11-13, IP Precedence 1, COS 1) Less-Than-Best-Effort DSCP 2-6, IP Precedence 0, COS 0 Best-Effort DSCP BE, IP Precedence 0, COS 0 Tabela 2: Recomendações de classificação de tráfego. Mestrado Redes e Sistemas de Comunicação Julho-2004 Página 13 de 36

14 5. Protocolos de Sinalização 5.1 H.323 Se cada fornecedor de VoIP projectasse a sua própria pilha de protocolos, o sistema nunca funcionaria. Para evitar este problema, várias partes interessadas reuniram-se sobre a alçada do ITU para desenvolver padrões. Em 1996, o ITU emitiu a recomendação H.323, intitulada de Visual Systems and Equipment for Local Area Networks Which Provide a Non-Guaranteed Quality of Service. A recomendação foi revista em 1998, e tornou-se a base para os primeiros sistemas de telefonia da Internet. A recomendação H.323 é mais uma avaliação da arquitectura de telefonia IP do que um protocolo específico. Ela faz referência a um grande número de protocolos específicos para a codificação de voz, configuração de chamadas, sinalização, transporte de dados e outras áreas, em vez de especificar propriamente cada um desses elementos. A figura 6 representa o modelo geral da recomendação. Figura 6: Modelo arquitectónico do H.323. No centro existe um gateway que se liga a Internet e à rede telefónica. No modelo comunicase por meio de protocolos H.323 no lado da Internet e de protocolos PSTN no lado da rede telefónica. Os dispositivos de comunicação são designados de terminais. Uma LAN pode ter um gatekeeper que controla os pontos terminais da sua zona. Uma rede telefónica necessita de vários protocolos. Para começar, existe um protocolo para a codificação e descodificação de voz. Todos os sistemas H.323 devem ter suporte para a G.711 (sistema PCM) sendo no entanto permitidos outros protocolos de compressão de voz. Eles empregam diversos algoritmos de compressão e admitem diferentes compromissos entre qualidade e largura de banda. Tendo em vista que são possíveis diversos algoritmos de compressão, é necessário um protocolo para permitir que os terminais negoceiem o algoritmo que vão utilizar. Este protocolo é designado por H.245. Ele também negoceia outros aspectos da conexão, como a taxa de bits. O RTCP é necessário para controlar os canais do RTP. Também é necessário um protocolo para estabelecer e encerrar conexões, fornecer tons de marcação, gerar sons de chamada e o restante da telefonia padrão. O ITU Q.931 é utilizado para estas funções. Os terminais necessitam de um protocolo para comunicarem com o gatekeeper (se presente). Para este propósito é utilizado o H.225. O canal do terminal para o gatekeeper, que ele gera, é designado por canal RAS (Registration/Admission/Status), o qual permite que os terminais entrem e saiam da zona, solicitem e libertem largura de banda, e forneçam actualizações de estado, entre outros. Mestrado Redes e Sistemas de Comunicação Julho-2004 Página 14 de 36

15 Por fim é necessário um protocolo para a transmissão real de dados. O RTP é utilizado para o fluxo de dados. Ele é gerido pelo RTCP que desempenha uma função importante no controlo de congestionamento. A figura 7 demonstra a posição de cada um desses protocolos. Figura 7: Pilha de protocolos H Modo de funcionamento do H.323 Para se perceber como estes protocolos funcionam juntos, podemos considerar o caso de um terminal (PC) numa LAN (com um gatekeeper) que deseja falar com um telefone remoto. Primeiro, o PC tem de descobrir o gatekeeper e, para isso, efectua um broadcast de um pacote UDP para a porta 1718, de forma a descobrir o gatekeeper. Quando o gatekeeper responde, o PC aprende o endereço IP do gatekeeper. Agora, o PC registra-se com o gatekeeper, enviando uma mensagem RAS num pacote UDP. Depois de a mensagem ser aceite, o PC envia ao gatekeeper uma outra mensagem RAS solicitando largura de banda. Só depois de a largura de banda ser concedida é que é possível iniciar a configuração da chamada. A ideia de solicitar largura de banda com antecedência tem o objectivo de permitir ao gatekeeper limitar o número de chamadas, evitando assim saturar a linha de saída, e desse modo oferecer a qualidade de serviço necessária. Agora o PC estabelece uma conexão TCP com o gatekeeper, a fim de iniciar a configuração da chamada. A configuração da chamada utiliza os protocolos existentes da rede telefónica, que são orientados a conexões, e portanto, o TCP é necessário. Como o sistema telefónico não tem nada parecido com o RAS que permita aos telefones anunciarem a sua presença, os projectistas do H.323 optaram por usar o UDP para o RAS, devido a ter um menor overhead. Depois da concessão da largura de banda, o PC pode enviar uma mensagem Q.931 de SETUP através de uma ligação TCP. Essa mensagem especifica o número de telefone que está a ser chamado (ou o endereço IP e a porta, se for uma chamada para um computador). O gatekeeper responde com uma mensagem Q.931 de CALL PROCEEDING para confirmar a recepção correcta da solicitação. Então o gatekeeper encaminha a mensagem SETUP para o gateway. O gateway que é metade computador e metade switch telefónico, faz uma chamada telefónica normal para o telefone tradicional desejado. A estação final à qual o telefone está ligado faz tocar o telefone chamado e também envia de volta uma mensagem Q.931 de ALERT para informar ao PC chamador que a chamada teve início. Quando a pessoa na outra Mestrado Redes e Sistemas de Comunicação Julho-2004 Página 15 de 36

16 extremidade da linha atende o telefone, a estação final envia de volta uma mensagem Q.931 de CONNECT para indicar ao PC que tem ligação. Após o estabelecimento da ligação, o gatekeeper não se encontra mais envolvido na ligação, mas é claro que o gateway está. Os pacotes seguintes ignoram o gatekeeper e vão directamente para o endereço IP do gateway. Neste momento, só temos um canal livre entre as duas partes. Trata-se apenas de um conexão da camada física para a movimentação de bits. Nenhum dos lados conhece qualquer detalhe acerca do outro. O protocolo H.245 é agora utilizado para negociar os parâmetros da chamada. Ele utiliza o canal de controlo H.245, que está sempre aberto. Cada lado anuncia os seus recursos (por exemplo se pode lidar com vídeo ou conferência de chamadas, quais CODECs são aceites, etc.). Depois de cada lado saber o que o outro pode manipular, são configurados dois canais unidireccionais de dados, e também é atribuído a cada parte um CODEC e outros parâmetros. Tendo em conta que cada lado pode ter um equipamento diferente, é perfeitamente possível que o CODEC do canal directo e inverso sejam diferentes. Depois de concluídas todas as negociações, o fluxo de dados pode começar a utilizar o RTP. Este é gerido pelo RTCP, o qual desempenha uma função importante no controlo de tráfego. Se houver vídeo presente, o RTCP irá lidar com a sincronização de áudio/vídeo. A figura 5 demonstra os diversos canais. Quando uma das partes desliga o telefone, o canal de sinalização de chamadas do Q.931 serve para encerrar a ligação. Quando a chamada é encerrada, o PC chamador entra uma vez mais em contacto com o gatekeeper com uma mensagem RAS de forma a proceder à libertação da largura de banda que tinha recebido. Figura 8: Canais lógicos entre o chamador e o chamado durante a realização de uma chamada. A QoS não está no âmbito do H.323 (excepto no que diz respeito ao gatekeeper poder limitar o número de chamadas de modo a evitar saturar as linhas de saída). Se a rede subjacente for capaz de produzir uma conexão estável e livre de flutuação entre o PC chamador e o gateway, então a QoS da chamada será boa. A parte do da rede telefónica utiliza PCM e está sempre isenta de flutuação. 5.2 SIP Como o H.323 foi projectado pelo ITU, muitas pessoas ligadas à Internet viam esse protocolo como um produto típico das empresas de telecomunicações: grande, complexo e inflexível. Assim sendo, a IETF estabeleceu um comité para projectar uma forma mais simples e mais Mestrado Redes e Sistemas de Comunicação Julho-2004 Página 16 de 36

17 modular de utilização de voz sobre IP. O resultado foi o SIP (Session Initiation Protocol), descrito no RFC Este protocolo descreve como efectuar chamadas telefónicas na Internet, videoconferências e outras conexões multimédia. Ao contrário do H.323 (que é um conjunto de protocolos completo), é um único módulo, mas foi projectado para interoperar bem com aplicações da Internet existentes. Por exemplo ele define números de telefone como URL s, para que as páginas Web possam conter esses números, permitindo que um simples click num hiperligação inicie uma chamada telefónica. O SIP pode estabelecer sessões de duas partes (ligações telefónicas comuns), sessões de várias partes (onde todos podem ouvir e falar) e sessões de multicast (com um transmissor e muitos receptores). As sessões podem conter áudio, vídeo ou dados. O SIP cuida apenas da configuração, da gestão e do encerramento das sessões. Outros protocolos, como o RTP/RTCP, são usados para o transporte de dados. O SIP é um protocolo da camada de aplicação e pode funcionar sobre o UDP ou o TCP. Admite uma grande variedade de serviços, inclusive a localização do chamado (que pode não se encontrar na sua máquina local) e determinação dos seus recursos, bem como o tratamento do mecanismo de configuração e terminação de chamadas, a espera de chamadas, a triagem de chamadas, a criptografia, e a autenticação. No seu caso mais simples, o SIP configura uma sessão entre o terminal do chamador e o terminal do chamado. Os números de telefone do SIP, além de serem definidos por URL s, também podem ser endereços do tipo IPv4, IPv6 ou números de telefone reais. O protocolo SIP é um protocolo de texto modelado sobre o http. Uma parte envia uma mensagem em texto ASCII que consiste num nome de método na primeira linha, seguido por linhas adicionais contendo cabeçalhos para a passagem de parâmetros. Muitos cabeçalhos são tirados do MIME para permitir ao SIP interoperar com aplicações da Internet existentes. A seguinte tabela apresenta as mensagens do SIP: Tipo Método Descrição Resposta Pedido Informação INVITE ACK BYE OPTIONS CANCEL REGISTER 100 Trying Solicita a inicialização de uma sessão Confirma que a sessão foi inicializada Solicita o término de uma sessão (necessita de confirmação pelo outro lado) Consulta um host sobre os seus recursos (em geral é usado antes de uma sessão ser iniciada) Cancela uma solicitação pendente Informa um servidor de redireccionamento sobre a localização actual do utilizador Acção em curso, mas o utilizador não foi encontrado 180 Ringing Encontrada uma localização registada do utilizador, que foi alertado Sucesso 200 OK O pedido foi bem sucedido Redirecionamento 300 Multiple Choices 301 Moved Permanently 302 Moved Temporarity O utilizador poderá ser encontrado num de vários endereços indicados O utilizador passou a utilizar o endereço indicado O utilizador poderá ser encontrado no endereço indicado Tabela 3: Mensagens do SIP Para estabelecer uma sessão, o chamador envia a mensagem INVITE (sobre uma conexão TCP ou sobre um pacote UDP). Os cabeçalhos das linhas seguintes descrevem a estrutura do corpo Mestrado Redes e Sistemas de Comunicação Julho-2004 Página 17 de 36

18 da mensagem, que contém os recursos do chamador, tipos de média e formatos. Se o chamado aceitar a ligação, responderá com um código de resposta HTTP. Nas linhas seguintes, o chamado pode fornecer informações sobre os seus recursos, tipos de média e formatos. A conexão é feita através de um handshake de três vias, de forma ao chamador responder com uma mensagem ACK para finalizar o protocolo e confirmar o recebimento da mensagem 200. Qualquer parte pode solicitar o término de uma sessão enviando uma mensagem que contém o método BYE. Quando o outro lado a confirmar, a sessão será encerrada. O método OPTIONS é utilizado para consultar uma máquina sobre os seus próprios recursos. Em geral, ele é utilizado antes de uma sessão ser iniciada, a fim de descobrir se essa máquina é capaz de comunicar utilizando VoIP ou se está a utilizar qualquer outro tipo de sessão. O método REGISTER relaciona-se com a possibilidade do SIP localizar e se ligar a um utilizador que está longe de casa. Essa mensagem é enviada a um servidor de localização do SIP que controla a localização de cada utilizador. Esse serviço pode ser consultado mais tarde para se descobrir a localização actual do utilizador. A operação de reencaminhamento está ilustrada na figura 9. Aqui, o chamador envia a mensagem INVITE a um servidor proxy para ocultar o possível redireccionamento. Então, o proxy procura o utilizador e envia-lhe a mensagem INVITE. De seguida ele actua como um relay para as mensagens seguintes no handshake de três vias. As mensagens de LOOKUP e REPLY não fazem parte do SIP (qualquer protocolo conveniente pode ser usado, dependendo do tipo de servidor de localização utilizado). Figura 9: A utilização de um proxy e de servidores de redireccionamento com o SIP. O SIP possibilita a execução de chamadas de um computador para um telefone comum, se houver um gateway apropriado disponível entre a Internet e o sistema de telefonia. 5.3 Comparação entre o H.323 e o SIP O H.323 e o SIP têm muitas semelhanças, mas também apresentam algumas diferenças. Ambos permitem chamadas com dois ou com vários participantes, utilizando computadores e telefones como pontos terminais. Ambos admitem a negociação de parâmetros, a criptografia e os protocolos RTP/RTCP. A tabela 4 apresenta um resumo dessas semelhanças e diferenças. Embora os conjuntos de características sejam semelhantes, os dois protocolos diferem extensamente na filosofia. O H.323 é um standard pesado, típico da indústria dos telefones, Mestrado Redes e Sistemas de Comunicação Julho-2004 Página 18 de 36

19 especificando a pilha de protocolos completa e definindo com precisão o que é permitido e o que é proibido. Essa abordagem leva a protocolos muito bem definidos em cada camada, facilitando a tarefa de interoperabilidade. Devido a estas características, é um standard grande, complexo e rígido, difícil de adaptar a aplicações futuras. Pelo contrário o SIP é um protocolo típico da Internet e funciona trocando pequenas linhas de texto ASCII. É um módulo leve que tem boa interoperação com os outros protocolos da Internet, mas não muito bem com os protocolos de sinalização do sistema telefónico existente. Devido ao facto de o modelo VoIP do IETF ser altamente modular, ele é flexível e pode facilmente ser adaptado a novas aplicações. A desvantagem reside nos potenciais problemas de interoperabilidade. Item H.323 SIP Projectado por ITU IETF Compatibilidade com PSTN Sim Ampla Compatibilidade com a Internet Não Sim Arquitectura Monolítica Modular Dimensão Pilha de protocolos completa Negociação de parâmetros Sim Sim O SIP lida apenas com a configuração Sinalização de chamadas Q.931 sobre TCP SIP sobre TCP ou UDP Formato de mensagens Binário ASCII Transporte de média RTP/RTCP RTP/RTCP Chamadas de vários participantes Sim Sim Conferências multimédia Sim Não Endereçamento Número de host ou telefone URL Terminação de chamadas Transmissão de mensagens instantâneas Explícito ou encerramento por TCP Não Criptografia Sim Sim Tamanho dos standards páginas 250 páginas Implementação Grande e complexa Moderada Explícito ou por timeout Status Extensamente distribuído Boas perspectivas de êxito Sim Tabela 4: Comparação entre o H.323 e o SIP. Mestrado Redes e Sistemas de Comunicação Julho-2004 Página 19 de 36

20 II Parte O Caso da Universidade do Minho

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