Voz sobre IP I: A Convergência de Dados e Voz

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1 Voz sobre IP I: A Convergência de Dados e Voz A tecnologia Voz sobre IP (VoIP) permite que o tráfego de uma comunicação telefônica ocorra numa rede de dados, como a Internet. Portanto, as ligações podem ocorrer entre computadores, telefones fixos e celulares, também em aplicações de PABX, com a diferença de não ser utilizada a rede de telefonia, mas a rede de computadores. A VoIP está se expandido no mundo e no Brasil, com milhares de usuários existentes que usufruem das reduções de custos em ligações interurbanas e internacionais. Essa expansão abrange tanto o ambiente doméstico, quanto o ambiente corporativo, pois com a utilização de VoIP, se tornam inexistentes aspectos como as distâncias geográficas e a duração das chamadas, que são tarifadas pelo sistema telefônico tradicional. Ciente da importância da VoIP, esta série de tutoriais visa apresentá-la como um instrumento que está perto de revolucionar o mundo das telecomunicações, tecnologia essa que pode mudar paradigmas, proporcionando recursos adicionais nas redes de computadores que não existiam até então. Os tutoriais foram preparados a partir da monografia Voz sobre IP: A Convergência de Dados e Voz, elaborada pela autora, e apresentada à Faculdade de Tecnologia Thereza Porto Marques como requisito parcial para conclusão do Curso de Pós-Graduação Lato Sensu em Tecnologia da Informação. Foi orientador do trabalho o Prof. Amarildo Franco Barbosa e co-orientada a Profa. Ms. Teresinha de Jesus de Paula Costa. Este tutorial parte I descreve o funcionamento do sistema de telefonia atual e a possibilidade da implementação de VoIP em sua presente estrutura, compara os tipos de comutação de informações analógicas e digitais para subsequente análise sobre a comutação na telefonia tradicional, e na Voz sobre IP, apresenta formalmente a tecnologia VoIP, seu surgimento e exemplos de seu funcionamento em alguns cenários de comunicação, discute a estreita relação entre a tecnologia VoIP e a telefonia IP, descreve e compara os protocolos usados em VoIP, e finalmente apresenta as diversas aplicações da telefonia IP no uso doméstico e corporativo, como softphones, ATAs, telefones IP, centrais de PABX IP, e telefonia móvel. Glaucia da Silva Ribeiro Tecnóloga em Redes de Computadores pelas Faculdades Integradas de Jacareí Anhanguera Educacional (2007). Pós-graduada em Tecnologia da Informação pela Faculdade de Tecnologia Thereza Porto Marques (2010). Atuou como Estágio de Curso Superior em ambiente Windows no Serviço Autônomo de Água e Esgoto de Jacareí (Prefeitura de Jacareí, como Instrutora de Cursos Profissionalizantes na Escola Sindical São Paulo, ministrando Aulas de Informática em Ambiente Linux (Introdução, Office), e como Instrutora de 1

2 Informática em Ambiente Linux (Introdução, Office) na Prefeitura Municipal de Jacareí. Atualmente é Auxiliar de TI na UNIFARMA Gestão e Solução em Saúde Ltda. gdasilvaribeiro@gmail.com Categoria: VoIP Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 15 minutos Publicado em: 14/11/2011 2

3 Voz sobre IP I: Introdução Há mais de cem anos, a comunicação de voz a longas distâncias ocorre através do sistema de telefonia tradicional. Apesar da rede comutada de telefonia pública ter recebido várias inovações em sua tecnologia durante esses anos, ainda permanecem no sistema características de funcionamento presentes nos primeiros aparelhos comercializados pela Bell Telephone Company, empresa do inventor Alexander Graham Bell. Mas devido ao surgimento da Internet, o mundo das telecomunicações está sofrendo radicais mudanças de paradigmas e funcionalidades, que nunca haviam ocorrido desde então. A tecnologia de Voz sobre IP (VoIP) pode ser considerada uma revolução no funcionamento atual das telecomunicações. Com esse tipo de tecnologia, é possível efetuar ligações telefônicas entre computadores, telefones comuns, e demais dispositivos para comunicações de voz existentes. A VoIP possibilita a convergência de dados e voz numa mesma rede, como a Internet, por exemplo. O tráfego telefônico é levado para a rede de dados. As companhias telefônicas já transportam boa parte de seu tráfego de voz usando VoIP, principalmente nas chamadas internacionais. Uns dos maiores atrativos dessa tecnologia é a redução de custos, que pode chegar a zero, e a flexibilidade para realizar as ligações. Na telefonia tradicional fixa, por exemplo, uma ligação telefônica é feita e recebida na localidade do usuário, não permitindo que seja usado o mesmo número de telefone em locais diferentes, fato que limita a mobilidade do usuário, além do custo das tarifas que o usuário paga pelas ligações interurbanas e celulares. Com a tecnologia VoIP, em qualquer local que haja conexão com a Internet é possível fazer e receber as ligações por meio do computador ou um telefone IP. Assim, se um usuário viajar para outro país e deseja fazer e receber suas ligações telefônicas como se estivesse em casa, basta ele levar seu telefone IP, ou um computador portátil devidamente configurado para a viagem, e conectá-lo a Internet. O custo dessas ligações pode ser bem reduzido, pois com a Internet não há limites de distância e restrições de tempo, tarifas interurbanas e internacionais podem se tornar inexistentes. No ambiente corporativo, a VoIP pode ser muito vantajosa, trazendo para as empresas a tão bem-vinda redução de custos, tanto nas ligações quanto na operação e manutenção da rede convergente, que pode receber o PABX IP, sistema de PABX que traz maior mobilidade e produtividade a corporação. As comunicações entre matrizes e filiais das empresas não terão mais a distância como barreira em termos de custos adicionais. Portanto, a tecnologia VoIP tem como objetivo prover uma alternativa ao sistema de telefonia tradicional, com a provisão das mesmas funcionalidades e qualidade, querendo também melhorar a eficiência na comunicação telefônica. Tutoriais Para o presente trabalho adotou como metodologia a pesquisa bibliográfica, a fim de elaborar uma reflexão sobre o conteúdo específico relacionado com a Voz sobre IP. Este tutorial parte I descreve o funcionamento do sistema de telefonia atual e a possibilidade da implementação de VoIP em sua presente estrutura, compara os tipos de comutação de informações analógicas e digitais para subsequente análise sobre a comutação na telefonia tradicional, e na Voz sobre IP, 3

4 apresenta formalmente a tecnologia VoIP, seu surgimento e exemplos de seu funcionamento em alguns cenários de comunicação, discute a estreita relação entre a tecnologia VoIP e a telefonia IP, descreve e compara os protocolos usados em VoIP, e finalmente apresenta as diversas aplicações da telefonia IP no uso doméstico e corporativo, como softphones, ATAs, telefones IP, centrais de PABX IP, e telefonia móvel. O tutorial parte II analisará os aspectos de Qualidade de Serviço (QoS), descreverá s aspectos de segurança que envolvem a tecnologia, abordará a difusão da tecnologia no Brasil, relacionada com a regulamentação da VoIP pelos órgãos competentes, tecerá considerações sobre as expectativas, o crescimento eminente e os desafios de VoIP, e finalmente apresentará as considerações finais sobre a tecnologia VoIP, que pode se tornar cada vez mais presente na vida cotidiana. 4

5 Voz sobre IP I: Sistema Telefônico Tradicional O telefone é um dos meios de comunicação mais utilizados no dia a dia, seja realizando ligações locais ou interurbanas, com o aparelho fixo ou celular. O primeiro telefone foi criado por Alexander Graham Bell no ano de Apesar desse meio de comunicação ser centenário, ele é maior parte do tempo eficiente, fazendo jus da sua permanência mesmo em meio as tecnologias de comunicação mais avançadas, como , mensagem de texto via celular, entre outros. A infraestrutura que permite a conexão entre os telefones é chamada de rede comutada de telefonia pública. A Public Switched Telephone Network (PSTN), ou rede comutada de telefonia pública, ou ainda sistema telefônico tradicional, é a rede destinada ao tráfego de voz a longas distâncias. Ela existe desde o início do século XX, e apresenta uma hierarquia para seu pleno funcionamento, baseada em grandes centrais telefônicas interligadas entre si. Essa rede funciona com a comutação de circuitos, que estabelece um caminho físico entre a origem e o destino enquanto a ligação estiver em andamento, trazendo alta qualidade de serviço na transmissão de voz. Estrutura O sistema telefônico tradicional é formado por três componentes principais: Loops locais: são conexões de fios entre o telefone do usuário e a estação final. Se o telefone da origem da ligação se conectar a um telefone de destino que pertence a mesma estação final, a comutação será feita entre os dois loops locais. Se o telefone de destino estiver em outra estação final, é necessária a chamada interurbana. Pois cada estação final contém linhas de saída para outras estações finais, possibilitando a comunicação. Troncos de conexão: conectam as estações de comutação, como as estações interurbanas. Nesse caso, os troncos passam a ser chamados de troncos interurbanos de alta largura de banda, pois o caminho é estabelecido num ponto mais alto da hierarquia de infraestrutura do sistema telefônico. Estações de comutação: são nelas que as chamadas são transferidas de um tronco para o outro. A figura 1 mostra a estrutura simplificada do sistema telefônico tradicional: Figura 1: Estrutura do sistema telefônico tradicional Há diversos outros detalhes em relação ao loop local, aos troncos e as estações de comutação, como por exemplo, o sistema telefônico pode ser classificado em planta interna e externa, porém esses detalhes não serão discutidos. Uma característica mais importante a ser descrita sobre o sistema telefônico tradicional é que ele inicialmente era totalmente analógico, com o sinal de voz sendo transmitido como uma voltagem elétrica da origem ao destino. Devido a isso, a comunicação telefônica sofria com as variações de tensão e das 5

6 correntes elétricas, prejudicando a qualidade do áudio, com a instabilidade do volume, ocorrência de eco, estática e até mesmo a queda da chamada. Atualmente, os troncos são de fibra óptica e os equipamentos de comutação (switches) são digitais, somente o loop local continua ainda analógico, com cabos de pares trançados. Essa digitalização já presente nos sistemas telefônicos, começou a motivar a ideia da convergência com os sistemas computacionais. Esses sistemas presentes nas centrais telefônicas proporcionam diversas vantagens de operação, manutenção e provisão de serviços. Um exemplo é a configuração, que pode ser realizada remotamente de modo flexível, por meio de ferramentas de software. A digitalização no sistema telefônico tradicional também proporcionou a conversão dos sinais analógicos em digitais entre as estações de comutação através da codificação Pulse Code Modulation (PCM). A codificação PCM regenera os sinais analógicos com processos de amostragem e quantização da amplitude dos mesmos em um determinado período de tempo, transformando-os em 0s (zeros) e 1s (uns), para então transmiti-los. Para que tudo isso ocorra, a PCM baseia-se em um código de 8 bits, que é registrado 8000 vezes por segundo, resultando em um circuito de 64 Kilo bits por segundo (Kbit/s). A importância da PCM no sistema telefônico é justificada devido a sua possibilidade de melhorar a qualidade da comunicação a longas distâncias. Quando o sistema era totalmente analógico, ele funcionava bem somente em curtas distâncias, mas com a presença da codificação PCM, que digitaliza o sinal analógico para digital, o sistema telefônico pode então se expandir com mais eficiência na sua transmissão. Atualmente existem dois tipos de codificação PCM, a que é utilizada nos Estados Unidos e no Japão, chamada de G.711u ou μ-law, e no resto do mundo é do tipo G.711a, ou a-law, as diferenças entre elas é mínima, a salvo que a G.711u possui uma pequena vantagem em relação ao desempenho da sinalização de ruídos de baixo nível. Portanto a maior parte da infraestrutura do sistema telefônico atual pode suportar a tecnologia de transporte de dados digitais, pois além de realizar a comutação de circuitos, ela também pode realizar a comutação de pacotes, resultando no serviço de Internet de banda larga, e consequentemente na Voz sobre IP. As comutações de circuitos e de pacotes são descritas na próxima seção. 6

7 Voz sobre IP I: Comutação de Circuito e de Pacote Nos primórdios da telefonia, a conexão para uma ligação telefônica era feita pela telefonista que conectava um cabo aos soquetes de entrada e saída em um painel manualmente. Porém hoje esse processo é automatizado pelo equipamento de comutação. Um processo de comutação é aquele que reserva e libera recursos de uma rede para sua utilização. As comutações de circuitos e de pacotes são usadas no sistema telefônico atual. A comutação de circuito particularmente é usada no tráfego de voz, ela é a base para o sistema telefônico tradicional, e a comutação de pacotes é usada para o tráfego de dados, sendo por sua vez, a base para a Internet e para a Voz sobre IP. Comutação de circuitos Na comutação de circuitos, ocorrem três fases: Estabelecimento do circuito: antes que os terminais (telefones) comecem a se comunicar, há a reserva de recurso necessário para essa comunicação, esse recurso é a largura de banda. Transferência da voz: ocorre depois do estabelecimento do circuito, com a troca de informações entre a origem e o destino. Desconexão do circuito: terminada a comunicação, a largura de banda é liberada em todos os equipamentos de comutação. Quando se efetua uma chamada telefônica, o equipamento de comutação procura um caminho físico desde o telefone do transmissor até o telefone do receptor. Esse caminho pode conter trechos de fibra óptica ou de micro-ondas, mas a ideia básica funciona: quando a chamada telefônica é estabelecida, haverá um caminho dedicado entre as extremidades até que a ligação termine. Nesse tipo de comutação, há a garantia da taxa de transmissão, e a informação de voz chegará na mesma ordem desde o transmissor até o receptor. A comutação de circuitos é ilustrada pela figura 2: Figura 2: Comutação de circuitos Uma das propriedades mais importantes na comutação de circuitos é a necessidade de estabelecer esse caminho fim a fim antes que qualquer informação seja enviada. O tempo que o telefone do receptor leva para tocar logo depois do número discado é justamente o momento em que o sistema telefônico procura pela conexão física. Logo o sinal de chamada se propaga por todo o trajeto para que possa ser reconhecido. Na comutação de circuitos há também a reserva de largura de banda entre as extremidades, fazendo com que a informação de voz percorra o mesmo caminho e chegue na mesma ordem. Isso é necessário para que uma conversa telefônica seja compreendida claramente pelo transmissor e pelo receptor. Mas se houver a reserva para um circuito de um determinado usuário, e ela não for usada, (o usuário permanecer em silêncio durante a ligação, por exemplo), a largura de banda desse circuito será desperdiçada. A reserva exclusiva de 7

8 largura de banda para o circuito faz o sistema ineficiente, porque dificilmente os dispositivos trocam informações durante 100% do tempo em que ficam conectados. Sempre haverá tempos ociosos que não podem ser aproveitados, e a largura de banda só será liberada para outros fins quando um dos terminais encerrar a comunicação. Portanto, quando uma ligação é estabelecida, aquele que a originou é o master da conexão, caso aquele que recebeu a chamada devolva o telefone ao gancho, a ligação não se encerra. A tarifa do serviço com comutação de circuito é baseada pela distância entre os terminais e o tempo da ligação. Comutação de pacotes A comutação de pacotes é a técnica que envia uma mensagem de dados dividida em pequenas unidades chamadas de pacotes. Ela não exige o prévio estabelecimento de um caminho físico para a transmissão dos pacotes de dados. Os pacotes podem ser transmitidos por diferentes caminhos e chegar fora da ordem em que foram transmitidos. Por esse motivo, a comutação de pacotes é mais tolerante a falhas em relação a comutação de circuitos, pois os pacotes podem percorrer caminhos alternativos até o destino de forma a contornar os equipamentos de comutação inativos. Nesse tipo de comutação, não há a reserva prévia de largura de banda, e assim, também não há o desperdício de recursos. A largura de banda é fornecida sob demanda, como ocorre na tecnologia VoIP. Na comutação de pacotes é utilizado o tipo de transmissão store-and-forward. O pacote é recebido e armazenado por completo pelo equipamento e depois encaminhado para o próximo destino. Em cada um desses equipamentos, o pacote recebido tem um endereço de destino, que possibilita indicar o caminho correto para o qual ele deve ser encaminhado. A tarifa na comutação de pacotes é feita pelo volume do tráfego de dados, mensalmente. A figura 3 ilustra a comutação de pacotes: Figura 3: Comutação de pacotes A tabela 1 mostra as diferenças entre a comutação de circuitos e a comutação de pacotes: ITEM Tabela 1: Comparação entre comutações de circuitos e pacotes COMUTAÇÃO DE CIRCUITOS COMUTAÇÃO DE PACOTES Configuração de chamadas Obrigatória Não necessária Caminho físico dedicado Sim Não 8

9 Pacotes seguem o mesmo caminho Pacotes chegam na mesma ordem Sim Sim Não Não Reserva da largura de banda Fixa Dinâmica Largura de banda desperdiçada A falha de um equipamento é fatal Sim Sim Não Não Softswitch Um softswitch é um tipo de arquitetura computacional que executa um software especializado, transformando-se em comutador telefônico inteligente. O softswitch é uma tendência bem atual no desenvolvimento da tecnologia de comutação de circuitos. Além de manipular funções de canais de dados tradicionais, um softswitch pode converter um fluxo de bits de voz digitalizada em pacotes, possibilitando a Voz sobre IP. Ele também faz o mapeamento entre os endereços da origem o do destino da comunicação por meio de um banco dados com estes endereços. O softswitch pode saber onde um terminal de destino está, pelo seu número de telefone associado, e seu endereço IP atual. Assim o softswitch é metade computador, trabalhando com a comutação de pacotes, e metade comutador telefônico, realizando a comutação de circuitos. O softswitch realiza a interoperabilidade entre a Internet e a rede de telefonia tradicional, podendo ser chamado também de gateway. A comutação física do softswitch é realizada pelo gateway de mídia, que faz a conversão dos dados entre as duas redes. Já a lógica de processamento, responsável pela comutação de pacotes, reside no controlador de gateway de mídia, que gerencia as chamadas telefônicas. O gateway de mídia e o controlador podem ser equipamentos distintos, até de diferentes fornecedores, ou num mesmo equipamento, formando a arquitetura do softswitch. Portanto, a comutação de circuitos está para a rede de telefonia tradicional assim como a comutação de pacotes está para a Voz sobre IP, que pode se utilizar da Internet (uma rede de computadores baseada em IP). E o softswitch é o equipamento chave para realizar a comunicação entre essas redes. 9

10 Voz sobre IP I: Tecnologia e Protocolos Tecnologia VoIP A Voz sobre IP é uma tecnologia que permite o tráfego de voz pelas redes de computadores, tráfego até então só possibilitado pela rede de telefonia tradicional. Com a VoIP, é possível efetuar ligações telefônicas entre computadores, telefones comuns, telefones IP e celulares. A VoIP também pode ser utilizada em centrais de PABX, que por sua vez podem ser substituídas por servidores de PABX IP. Surgimento Essa tecnologia foi desenvolvida ao longo da década de 90. Padrões para protocolos de funcionamento a serem usados na VoIP foram criados pela International Telecommunication Union (ITU) e pela Internet Engineering Task Force (IETF). A VoIP nasceu de duas vertentes: a digitalização do tráfego entre as centrais telefônicas e a Internet, possibilitando custos menores em ligações de longa distância. Funcionamento Na efetuação de uma ligação telefônica utilizando VoIP, há a conversão do sinal analógico de voz para dados, essa conversão é necessária pois os dados são sinais digitais que trafegam numa rede IP. As redes locais e remotas de computadores são redes IP, um ótimo exemplo é a própria Internet. E quando a informação é entregue ao destino, o sinal digital é novamente convertido em sinal analógico para que possa ser compreendido. Portanto a ideia básica é estabelecer uma comunicação entre origem e destino através de uma rede IP, e trocar pacotes de dados em tempo real com a informação de áudio (voz), de forma bidirecional. O processo anteriormente descrito está bem simplificado, ocultando vários detalhes e características da VoIP. A figura 4 ilustra uma arquitetura típica de uma rede com essa tecnologia. Notar que essa arquitetura de rede com VoIP é apresentada com equipamentos típicos da recomendação H.323, mas uma rede VoIP pode ser implementada também com o protocolo SIP. Figura 4: Arquitetura típica de rede com VoIP Para entender melhor como tudo funciona, é necessário conhecer alguns equipamentos que possibilitam o processo: Gateway: equipamento que conecta a Internet (uma rede IP), a rede de telefonia tradicional. Ele é ao mesmo tempo de mídia e de sinalização, ou seja, um conversor que realiza operações de repasse de fluxo de voz entre as duas redes e também faz o tratamento das solicitações de estabelecimento de chamadas telefônicas. O gateway trabalha com os protocolos VoIP no lado da rede IP, e com os 10

11 protocolos da telefonia tradicional, no lado telefônico. Também pode ser chamado de softswitch no âmbito VoIP. Gatekeeper: gerencia os demais equipamentos envolvidos na comunicação VoIP. Um gatekeeper controla de forma centralizada o sistema com Voz sobre IP, pois os equipamentos se registram nele, para que ele admita e gerencie a largura de banda solicitada para uma chamada telefônica. Terminais: são os equipamentos de comunicação, como telefones comuns, telefones IP, e os próprios computadores, configurados com software (softphone) específico para a VoIP. Zona: conjunto dos terminais controlados pelo gatekeeper, zona esta que pode ser uma rede local (LAN). Cenários simplificados de comunicações em VoIP Há diversos cenários de comunicação em que a tecnologia VoIP pode ser aplicada, a seguir são apresentados alguns deles. Um detalhe importante a ser mencionado, é que em todos os cenários há a presença de uma rede IP, tipo de rede essencial para VoIP. Entre dois computadores Os computadores precisam estar equipados de kits multimídia, com fones de ouvido ou caixas de som e microfones, além da conexão de velocidade razoável com a Internet. Mas o mais importante nesse tipo de comunicação, é a instalação nos computadores do softphone, programa que possibilita as ligações em VoIP, pois o softphone já tem implementado todas as funcionalidades e protocolos necessários. Portanto, um computador com o softphone e kit multimídia, assume o papel de um telefone, que se comunica com outro computador também equipado pela Internet. Sem dúvida, a comunicação entre computadores com a tecnologia VoIP é a mais simples de ser implementada e utilizada, sendo difundida principalmente entre usuários domésticos. A figura 5 ilustra o cenário de comunicação VoIP entre dois computadores: Figura 5: VoIP entre computadores Os computadores também podem se comunicar com VoIP numa rede local, pois ela também é uma rede IP. Entre dois telefones IP Os telefones IP foram desenvolvidos exclusivamente para a comunicação em VoIP. Eles têm conectores RJ-45 e software apropriado para a tecnologia. Também pode ser preciso a contratação da empresa provedora do serviço VoIP, que se encarregará dos procedimentos mais específicos para estabelecer a comunicação. Basta conectar os telefones IP a Internet para fazer e receber ligações em VoIP. Para iniciar a ligação telefônica, o telefone IP é tirado do gancho, e digita-se o número de destino. Esse número é armazenado pela aplicação da sessão. O gateway compara o número, para realizar um mapeamento de endereço IP. A aplicação de sessão executa o procedimento de estabelecer o canal de transmissão e recepção através da Internet. Quando o telefone IP de destino é atendido, inicia-se a comunicação, que pode ser encerrada por ambas as partes. A utilização dos telefones IP é igual a dos 11

12 telefones comuns. No entanto, esses telefones são sofisticados o suficiente para a transmissão de voz em tempo real com qualidade que muitas vezes supera a telefonia tradicional. Os telefones IP normalmente se encontram no ambiente corporativo, conectados a uma LAN, que também é uma rede IP como a Internet. A figura 6 ilustra o cenário de comunicação entre dois telefones IP: Do computador em uma LAN para o telefone comum Figura 6: VoIP entre telefones IP A figura 7 ilustra a estrutura de comunicação entre um computador e um telefone comum: Figura 7: VoIP entre computador e telefone comum Neste cenário, um computador pessoal (PC), está conectado numa rede local (LAN) com um gatekeeper, e tem o softphone para poder se comunicar com um telefone comum. Primeiro, o PC descobre o gatekeeper na rede. O gatekeeper envia ao PC o seu endereço IP. O computador se registra com o gatekeeper que por sua vez manda de volta uma mensagem de gerenciamento. O PC aceitando a mensagem, pede ao gatekeeper largura de banda, para iniciar-se a configuração da chamada, com o estabelecimento de uma conexão. Depois que a largura de banda é liberada ao computador, ele envia outra mensagem com o número de telefone a ser chamado para o gatekeeper. O gatekeeper confirma a solicitação da chamada e encaminha a informação para o gateway. O gateway é metade computador, metade comutador de telefonia, portanto, ele faz a chamada telefônica para o telefone comum. O telefone toca, e o PC recebe o sinal de que ele está tocando. Quando o telefone é atendido, é enviada uma mensagem ao computador indicando que houve a conexão. Depois disso, o gatekeeper pode aceitar outras requisições de ligação de outros PCs na rede. Mas ainda há uma série de parâmetros de chamadas a serem negociados antes que a transmissão de voz realmente ocorra. Após a conclusão de todas as negociações, os dados de voz começam realmente a fluir dentro dos pacotes de um lado para o outro permitindo assim a comunicação. Quando uma das partes desliga o telefone, a conexão é desfeita e o PC sinaliza ao gatekeeper a liberação da largura de banda usada, podendo efetuar outra chamada. Um computador doméstico também pode realizar uma ligação telefônica para um telefone comum através da Internet, onde os equipamentos gatekeeper e gateway permanecem na empresa provedora de serviços VoIP, que é contratada pelo usuário. 12

13 Entre dois telefones comuns Para que dois telefones comuns (analógicos) possam se comunicar com a tecnologia VoIP, é necessário que os dois sejam conectados a Adaptadores Telefônicos Analógicos (ATAs), que por sua vez são conectados a Internet. A utilização de um telefone comum junto ao ATA não difere na sua usabilidade, a diferença ocorre na transmissão da voz, que em vez de trafegar pela rede de telefonia, trafega pela Internet. A comunicação é ilustrada na figura 8: Figura 8: VoIP entre telefones comuns Ao tirar o telefone do gancho, o ATA já emite o sinal de discagem, afirmando que a conexão com a Internet está ativa. Quando o número do telefone é discado, o ATA converte os tons em dados digitais e os armazena temporariamente. Os dados do número solicitado são enviados a empresa provedora do serviço VoIP (contratada anteriormente), e são verificados se estão num formato válido. O gateway, também chamado de softswitch (que está na empresa provedora do serviço VoIP), mapeia o número telefônico e depois o traduz para um endereço IP, conectando os dois terminais para a chamada. No outro lado da linha um sinal é enviado para o ATA de destino para que o telefone comece a tocar. O destino atende a ligação e a comunicação se inicia, a informação de voz é transmitida em pacotes de dados pela Internet, e quando chega ao ATA de destino há a conversão dos sinais digitais para analógicos. Quando a ligação é encerrada, o ATA indica ao softswitch que terminou e a sessão então termina. Telefonia IP Comumente considera-se VoIP e telefonia IP o mesmo assunto, porém há diferenças entre os dois termos. A voz sobre IP, como descrito anteriormente, é uma tecnologia que consiste no uso da rede de computadores que utiliza o protocolo IP para a transmissão de sinais de voz em tempo real na forma de pacotes de dados, a rede pode ser pública, como a Internet, ou privada, como uma rede local. A telefonia IP usa a tecnologia VoIP. Ela tem como objetivo fornecer funcionalidades e qualidade iguais as da telefonia tradicional. Além de digitalizar e transportar voz, a telefonia IP permite outros tipos de serviços comuns aos da telefonia, como transferir chamadas, chamadas em espera, implementação de ramais, etc. O fato mais interessante é que a telefonia IP consegue essa eficiência sem necessitar de centrais telefônicas e ainda pode apresentar uma integração com outros serviços de dados. A telefonia IP pode ser vista como uma plataforma de integração de serviços, que pode se tornar a próxima geração das redes de 13

14 telecomunicações. Devido a esta estreita relação entre VoIP e telefonia IP, sendo mencionadas juntamente todo o tempo, é plausível o fato da consideração que os dois termos tratem do mesmo assunto e sejam encarados como equivalentes. Equivalência ao ponto da junção destes termos em um só: Telefonia VoIP. Porém devido também as diferenças, VoIP e telefonia IP devem ser mencionadas dentro de seus respectivos escopos. O que é perceptível e comum aos dois termos, seja utilizando VoIP ou telefonia IP, é que seja necessária a comunicação não apenas no nível de usuários com as ligações telefônicas, mas entre os terminais da rede com VoIP. Como foi citado, há a troca de informações computacionais do computador entre o gatekeeper, entre o gatekeeper e o gateway, entre os telefones IP, e os ATAs. Essa comunicação no nível computacional entre os terminais é realizada pelos protocolos. Os protocolos utilizados em VoIP são apresentados a seguir. Protocolos Utilizados em VoIP Os protocolos são responsáveis pela comunicação entre os equipamentos utilizados na tecnologia VoIP, essa comunicação é estabelecida no nível computacional, para resultar na comunicação no nível de usuário, ou seja, nas ligações telefônicas. Há basicamente dois processos simultâneos que ocorrem numa comunicação em VoIP: Sinalização e controle de chamadas telefônicas: estabelecimento, acompanhamento e finalização. Processamento da informação a ser enviada e recebida: controle e transporte da mídia (voz e/ou vídeo). Para que a tecnologia VoIP alcance o seu pleno funcionamento possibilitando a comunicação entre os diversos terminais, esse processos precisam ser realizados. E para que eles sejam realizados, os protocolos de VoIP são implementados cada qual com sua função específica nos processos correspondentes. Recomendação H.323 H.323 é uma recomendação criada pela ITU para o estabelecimento, controle e término das chamadas, ou seja, é uma recomendação que especifica os protocolos de sinalização e controle das ligações. Ela é mais antiga e complexa, atualmente está sendo menos usada nos sistemas VoIP. Ela tem como características: Suporte a conferência ponto a ponto e multiponto: estabelecimento da chamada entre dois ou mais usuários. Heterogeneidade: o equipamento com H.323 obrigatoriamente deve dar suporte a comunicação de áudio. Vídeo e dados são opcionais, porém aplicáveis. Suporte a contabilidade e gerência: prevê a contabilidade para a tarifa dos serviços e bloqueio de chamadas. Segurança: autenticação dos usuários. Serviços suplementares: transferência e redirecionamento de chamadas. A recomendação contém um conjunto amplo de protocolos. A figura 9 mostra alguns deles: 14

15 Figura 9: Alguns protocolos da recomendação H.323 A pilha H.323 se firma no protocolo de rede Internet Protocol (IP) e nos protocolos de transporte Transport Control Protocol (TCP) ou User Datagram Protocol (UDP). Os demais protocolos mostrados na figura 9 são: H.245: negocia aspectos de conexão, como taxa de bits e algoritmos de compactação de voz (codecs). H.225 (RAS): se comunica com o gatekeeper, sendo responsável pelo registro, admissão e status dos equipamentos de rede. As mensagens RAS podem ser trocadas entre os gatekeepers e os terminais, gateways e MCU (descrita ainda nesta seção). A troca de mensagens RAS também ocorre entre gatekeepers de zonas distintas. H.225 (Q.931): estabelece e encerra conexões, fornece tons de discagem e gera sons de chamada. H.235: estabelece autenticação e segurança para os terminais VoIP. H.450: estabelece transferência e redirecionamento de chamadas, atendimento simultâneo, chamada em espera, identificação de chamadas entre outros. A recomendação H.323 tem outros protocolos, cada qual com seu uso específico: Tabela 2: Mais protocolos da recomendação H.323 USO PROTOCOLOS Vídeo (codecs) Áudio (codecs) H.261 / H.263 G.711 / G.722 / G / G.726 / G.728 / G.729 Dados T.120 / T.122 / T.124 / T.125 / T.126 / T.127 Controle Transporte H / H.235 / H.245 / H.246 / H.248 / H.450 RTP / RTCP Como observado na tabela 2, a H.323 pode ser utilizada em diversas aplicações baseadas em VoIP, como vídeo, áudio e dados multimídia. Como exemplo de uso, considera-se um computador em uma LAN com um gatekeeper que pretende se comunicar com um telefone comum, através da pilha H.323. O computador envia um pacote UDP de difusão para descobrir o gatekeeper na rede. Depois de descoberto o gatekeeper, o computador envia uma 15

16 mensagem RAS do protocolo H.225 solicitando largura de banda. Sendo a largura de banda liberada, inicia-se o estabelecimento da ligação telefônica com uma mensagem SETUP de Q.931 do H.225 com o número do telefone do destino. O gatekeeper responde com CALL PROCEEDING confirmando a solicitação e encaminhando a mensagem SETUP ao gateway. O gateway, por sua vez, entra em contato com o telefone comum e envia de volta uma mensagem ALERT de Q.931 informando ao computador que a chamada teve início. Quando o telefone é atendido, é enviada outra mensagem chamada CONNECT de Q.931, indicando ao computador que houve a conexão. O protocolo H.245 é usado para negociar os parâmetros da chamada, como a manipulação de vídeo, chamadas de conferência, codecs aceitos etc. Dependendo da negociação, os protocolos de vídeo, dados e áudio são usados. Mas como o terminal de destino é um telefone comum, a negociação é relacionada ao áudio. Depois da negociação, é atribuído a cada parte um codec e outros parâmetros. Só a partir disso que o fluxo de dados (voz digitalizada) começa com o protocolo RTP, que por sua vez é gerenciado pelo RTCP para controlar possíveis congestionamentos. Quando a ligação termina, o computador manda uma mensagem RAS para o gatekeeper liberando a largura de banda que recebeu para uso. Além dos terminais IP, gateways e gatekeepers, a recomendação H.323 tem um componente opcional chamado Multipoint Controller Unit (MCU), que permite videoconferências entre três ou mais terminais. Um MCU se compõe de um controlador multiponto (MC), e um processador multiponto (MP). O MC centraliza as chamadas multipontos para a negociação de parâmetros entre os participantes da videoconferência, e o MP se responsabiliza pelo fluxo de áudio, vídeo e dados, utilizando-se dos protocolos RTP e RTCP. O componente MCU pode residir nos gateways e gatekeepers, não sendo necessariamente um equipamento físico distinto. SIP O Session Initiation Protocol (SIP) foi padronizado pela IETF e é descrito na Request for Comments (RFC) O SIP é um módulo projetado para interoperar bem com aplicações da Internet já existentes para a utilização da tecnologia VoIP. Com o SIP é possível efetuar chamadas entre computadores, entre telefones IP, e de um computador para um telefone comum, havendo o gateway apropriado entre a Internet e o sistema de telefonia tradicional neste último caso. Uma rede com arquitetura SIP contém os principais componentes: Cliente: Agente do usuário: emite e recebe solicitações do protocolo. O agente do usuário se compõe de duas partes: a que emite as solicitações é o User Agent Client (UAC), e a parte que recebe as solicitações é o User Agent Server (UAS). O agente do usuário reside nos terminais de origem e destino, como os telefones IP, softphones e ATAs. Servidores: Servidor de redirecionamento: fornece a resolução de nome e a localização do terminal de destino para o terminal de origem a fim de que eles entrem em contato diretamente. Portanto o servidor de redirecionamento realiza o mapeamento de endereços. Servidor proxy SIP: faz o roteamento para outra entidade mais próxima do destino. O proxy também desempenha a função de impor políticas de uso, como autorizações de acesso. 16

17 Registrador: servidor que aceita solicitações REGISTER, retendo informações de endereços SIP e IP do dispositivo que se registrou. Assim ele armazena a informação de onde um destino pode ser encontrado. O trabalho de registrador é em conjunto com o servidor de redirecionamento e o servidor proxy. Serviço de localização: usado pelos servidores de redirecionamento e proxy para obter as localizações dos terminais. Para essa obtenção, o serviço mantém um banco de dados de mapeamento dos endereços SIP e IP. A figura 10 ilustra uma comunicação entre agentes de usuário utilizando o protocolo SIP por meio dos servidores: Figura 10: Agentes de usuário e servidores SIP Como observado na figura 10, esses servidores são definidos na RFC 3261 como dispositivos lógicos. Portanto podem ser implementados separadamente, configurados na Internet, ou combinados numa única aplicação residindo num único servidor físico. O SIP define os números telefônicos como Uniform Resource Locators (URLs). Por exemplo, um número de telefone no SIP pode ser sip:glaucia@fantasia.com.br, semelhante a um endereço de . Mas os endereços SIP também podem ser endereços IP ou os números dos telefones propriamente ditos. Esse protocolo permite que a comunicação tenha além de áudio, também vídeo e dados, podendo ser utilizado em videoconferência. O SIP incorpora o uso do protocolo Session Description Protocol (SDP) que justamente define o conteúdo desta comunicação. O SIP somente configura, gerencia e encerra as chamadas, ele é um protocolo de sessão. Outros protocolos são encarregados pelo transporte de dados, normalmente o protocolo UDP, por motivos de desempenho. Assim o SIP fornece seus próprios mecanismos de confiabilidade, mas o TCP também pode ser usado. O protocolo RTP se encarrega pelo tráfego em tempo real da informação, muito importante na comunicação de voz, e consequentemente em conjunto com o RTP, também há o RTCP, que controla os fluxos de dados em tempo real. A figura 11 mostra a posição do SIP na pilha de protocolos: 17

18 Figura 11: Posição do SIP na pilha de protocolos O protocolo é modelado com base no HyperText Transfer Protocol (HTTP), com transações de solicitações e respostas. O SIP usa a maior parte dos cabeçalhos, códigos de status e regras de codificação do HTTP. Há seis métodos que o SIP usa nos cabeçalhos de suas mensagens: MÉTODO INVITE ACK OPTIONS REGISTER CANCEL BYE Tabela 3: Métodos SIP DESCRIÇÃO Solicita o início da sessão (comunicação) Confirma que a sessão foi iniciada Consulta os recursos do destino Informa a localização atual do destino Cancela uma solicitação pendente Termina a sessão entre os dois agentes SIP Para estabelecer uma sessão com SIP, o agente de origem envia uma mensagem com o método INVITE como convite ao agente de destino. Se o agente de destino aceitar a ligação, ele responderá com um código de resposta 200, que por sua vez será confirmado pela origem com uma mensagem de método ACK. Depois disso os dois podem trocar dados de voz pelo protocolo RTP. O método OPTIONS consulta o agente de destino sobre os seus recursos, para descobrir se ele é capaz de se comunicar em VoIP. Assim o método OPTIONS não estabelece a chamada, somente realiza essa verificação. O método REGISTER notifica uma configuração SIP de seu endereço IP atual e as URLs que o agente gostaria de receber chamadas. Com esse método é possível controlar a localização de cada usuário com uma operação de redirecionamento se o usuário estiver em outro lugar. O método REGISTER é manipulado pelo servidor registrador para esse controle. O método CANCEL cancela uma solicitação pendente, mas não cancela uma chamada completada. E o método BYE termina a comunicação entre os dois agentes SIP. O SIP tem dois modos de comunicação baseados em sua arquitetura, a comunicação ponto a ponto, e a comunicação via servidor proxy. Na comunicação ponto a ponto, um agente do usuário SIP troca mensagens de solicitação e reposta com outro agente de usuário sem a presença de nenhum servidor. Devido a essa simplicidade, não há suporte de diversos recursos e serviços, como de localização, por exemplo. Na comunicação via proxy, o agente do usuário envia sua solicitação ao servidor proxy, que encaminha as mensagens adequadamente a fim de controlar a entrada e a saída das mesmas no sistema. O servidor proxy como já citado anteriormente, pode se encontrar integrado aos servidores de redirecionamento e registrador, que também realizam as suas respectivas funções. Mais uma característica a ser descrita do SIP é a implementação da segurança. Mensagens SIP podem ser transportadas pelo protocolo Transport Layer Security (TLS) das quais os endereços SIP se iniciarão com sips:. O SIP for Telephones (SIP-T), define uma arquitetura para integrar a sinalização das ligações telefônicas da 18

19 rede de telefonia tradicional com as técnicas de encapsulamento e tradução das mensagens SIP. Assim as chamadas podem se originar na rede de telefonia tradicional, atravessar um gateway e alcançar um telefone IP que suporta SIP, por exemplo. O inverso também pode ocorrer, o telefone IP se comunica através do gateway com a rede de telefonia. Dessa forma, as ligações se originam e se destinam na rede de telefonia, porém atravessam uma rede baseada em SIP pelo caminho. Comparação entre H.323 e SIP A recomendação H.323 e o SIP têm em comum a possibilidade de chamada entre dois ou vários participantes, com terminais independentes de serem computadores ou telefones. Ambos também negociam parâmetros, têm recursos de segurança e utilizam o protocolo RTP para transportar o fluxo de dados. Apesar dessas semelhanças, eles se diferem em vários aspectos. A recomendação H.323 é típica da indústria de telefonia tradicional, com a definição de protocolos específicos, trazendo a ele a dificuldade de se adaptar a aplicações futuras. Por outro lado, o SIP é típico da Internet, por ser um módulo que interopera bem com os outros protocolos da rede mundial, trazendo a ele maior flexibilidade e melhor adaptação a novas aplicações. A tabela 4 apresenta um resumo das diferenças e semelhanças entre H.323 e SIP: Tabela 4: Comparação entre H.323 e SIP CARACTERÍSTICA H.323 SIP Projetado por ITU IETF Compatível com a telefonia tradicional Grande Maior Compatível com a Internet Não Sim Arquitetura Monolítica Modular Negociação de parâmetros Sim Sim Transporte de Informação RTP/RTCP RTP/RTCP Endereçamento Número de host ou telefone URL Segurança com criptografia Sim Sim Implementação Grande e complexa Moderada Tamanho do documento de padrões páginas 269 páginas Estado atual Tornando-se menos utilizado em VoIP, mas ainda disponível. Tornando-se mais utilizado em VoIP, em expansão. Interoperabilidade de SIP e H.323 Para a interoperabilidade de comunicação entre agentes SIP e terminais H.323, é necessário um conversor de protocolos: o SIP-H.323 InterWorking Function (IWF). O IWF pode se integrar a um gatekeeper H.323 ou a um servidor SIP. Ele faz a intermediação para que os dois protocolos se comuniquem. A figura 12, 19

20 ilustra um cenário com este tipo de comunicação: As funcionalidades de um IWF são: Figura 12: Interoperabilidade entre SIP e H.323 Mapear sequências de estabelecimentos e encerramento de chamadas. Registrar os terminais SIP e H.323 com os servidores registradores SIP e os gatekeepers. Realizar a resolução de endereços SIP e H.323. Negociar a capacidade dos terminais e agentes. Abrir e fechar os canais de mídia. Mapear os codecs de mídia para as redes SIP e H.323. Reservar e liberar recursos relacionados a chamada. Processar as mensagens de sinalização da chamada. Tratar serviços e facilidades adicionais. O IWF trata somente da conversão das mensagens entre os protocolos nos processos de sinalização da chamada telefônica. Em relação ao nível do fluxo de dados, como ambos SIP e H.323 utilizam o RTP, os pacotes de voz são trocados diretamente entre os terminais e agentes, o IWF pode até encaminhar os pacotes, mas sem modificá-los. Codecs Os codecs são necessários na tecnologia VoIP para codificação e decodificação dos dados analógicos (voz humana) em digitais (bits) para que a comunicação ocorra na rede IP. Eles são protocolos extras que adicionam funcionalidades e maior qualidade na comunicação. Além da conversão, os codecs também realizam a compressão dos sinais de voz. De acordo com o nível de compressão, atinge-se um equilíbrio entre largura de banda e qualidade de voz para o sistema VoIP. Os equipamentos suportam sempre mais de um codec, para que haja a negociação de qual será utilizado na comunicação. Os codecs podem ser classificados como codificadores de forma de onda, dos quais codificam o sinal apenas baseando-se na sua forma de onda, desprezando outras características. É o que ocorre com o codec G.711, que tem a qualidade muito boa, mas uma taxa de transmissão muito alta. Já o codec G.729, pode ser considerado um codificador de fonte ou paramétrico, que codifica o sinal apenas na fonte como foi gerado, a qualidade é boa (não tão quanto o G.711), mas a taxa de transmissão é baixa. Os codecs de áudio fazem a conversão por amostragem do sinal de áudio milhares de vezes por segundo. Por exemplo, o codec G.711 tira amostras do áudio 64 mil vezes por segundo. Ele converte os dados digitalizados e comprime para transmissão. Quando as 64 mil amostras são reunidas, partes do áudio são perdidas entre cada tomada de amostra, mas elas são tão pequenas que, ao ouvido humano, soam como um segundo contínuo de áudio digital. 20