Tutorial de Voz sobre IP

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1 Tutorial de Voz sobre IP VIII Seminário de Capacitação Interna Cesar Marcondes GT-VOIP/RNP Capacitação Interna RNP GT-VOIP

2 Tópicos Introdução sobre VOIP (atraso, jitter, perda) Cenários básicos (PC-PC, PC-Gateway, Gateway-Gateway, Gateway-Servidor- Gateway) Codificadores de áudio (G.711/GSM/G.723.1, relacionamento com a qualidade - MOS) Sinalização H.323 (GK, GW, H.245) e Sinalização SIP Segurança e VOIP Interfaces FXS / FXO / E&M / E1 (descrição técnica) Plano de discagem (Proposta de Plano de Discagem RNP2, peering com Internet2) Monitoramento de ligações (RADIUS - VSA, GK Accounting) IVR (Interactive Voice Response) Sistema de Planejamento de QoS para VoIP com uso Medições Ativas (descrição do ambiente - Openam e Caller, resumo das ligações por semana/dia) Comparativo entre Gateways VOIP (Cisco 2600, Alcatel, Planet, LineJack e Voip Blaster) Próximos Passos Capacitação Interna RNP GT-VOIP 2

3 Introdução Telefonia na Internet se refere à serviços de comunicação como voz, fax, ou aplicações de mensagens de voz, que são transportadas via Internet ao invés da Rede Telefônica Pública. Os passos básicos envolvidos em originar uma chamada telefônica na Internet são conversão do sinal de voz analógico para formato digital, compressão deste sinal em pacotes IP transmitidos sobre a Internet; e revertendo o processo na extremidade receptora. Capacitação Interna RNP GT-VOIP 3

4 Por que migrar para VoIP? (Perspectiva do Usuário) compressão variável segurança através de criptografia identificação de quem chama chamadas internacionais pagando taxas locais fácil integração com vídeo, whiteboard (Perspectiva da Operadora) supressão de silêncio resulta em menor tráfego facilidades compartilhadas (mais simples que CTI) vantagens operacionais comutação mais barata fax enviado como dado Capacitação Interna RNP GT-VOIP 4

5 Por que não usamos VoIP hoje em dia? Qualidade do Som Imprevisível Menor Confiabilidade Os dispositivos VoIP não são baratos (telefones IP, Gateways, etc) Base instalada mundial de 1 bilhão de linhas telefônicas Infra-estrutura de cobrança inexistente Desafios Técnicos a serem superados Questões Relacionadas a Regulamentação Capacitação Interna RNP GT-VOIP 5

6 Desafios Técnicos Mudança do Paradigma da Rede Baseada em Circuitos para Rede Baseada em Pacotes Atraso Fim-a-Fim Variável Codificação e compressão Perda de Pacotes Cancelamento de Eco / Supressão de Silêncio Arquitetura de Sinalização Capacitação Interna RNP GT-VOIP 6

7 Atraso Fim-a-Fim Problema do Atraso Fim-a-Fim Atraso de Bufferização e Codificação Este atraso é mais significativo, quando estivermos lidando com taxas de bits muito baixas. Atraso de Serialização e Propagação (10ms/1000km) Bufferização para Compensação de Jitter acaba aumentando o atraso fim-a-fim = 40 a 60 ms Obs.: Não devemos exceder (ITU-T) 150 ms em atraso fim-a-fim para prevenir colisão na conversa (ligações via satélite) Capacitação Interna RNP GT-VOIP 7

8 Variação do Atraso (Jitter) Linha do Tempo <<OLA COMO VOCE VAI? Propagação + Jitter <<OLA CO MO VOCE VAI? >> Capacitação Interna RNP GT-VOIP 8

9 Problema da Serialização O atraso de serialização pode causar aos pacotes de voz uma espera maior do que necessário: Serialization delay = (1500 bytes) x (8 bits / byte) = 187,5 ms ( bits / segundo) Solução: Fragmentação na Camada de Rede / Camada de Enlace (Multilink PPP) Capacitação Interna RNP GT-VOIP 9

10 Perda de Pacotes Causado por Congestionamentos ou Atrasos Dependendo do codificador, a perda é mais ou menos significativa Podemos usar mecanismos de Forward Error Correction (FEC) Redundância Outras alternativas de recuperação são baseadas na exploração do pacote anterior Capacitação Interna RNP GT-VOIP 10

11 Cenários de Telefonia IP Rede Internet Cenário 1 : PC para PC Necessário um PC com placa de som e microfone Software de IP Telephony : Cuseeme, Netmeeting... Opcionalmente pode ser usado para outros propósitos, como vídeo-conferência Capacitação Interna RNP GT-VOIP 11

12 Cenários de Telefonia IP imac Rede Internet Rede Telefonica * 8 # GATEWAY Cenário 2 : PC para Telefone É necessário um gateway que conecte a rede Internet com a rede de telefonia convencional O usuário precisa conhecer previamente o endereço IP deste gateway. Capacitação Interna RNP GT-VOIP 12

13 Cenários de Telefonia IP * 8 # Rede Telefonica Rede Internet Rede Telefonica * 8 # Gateway Gateway Cenário 3 : Telefone para Telefone Existe a necessidade de mais gateways para conectar a rede Internet à diferentes redes telefônicas provendo uma forma de bypass Todo gateway tem que conhecer todos os prefixos telefônicos e endereços IP dos gateway que acessam estes prefixos Capacitação Interna RNP GT-VOIP 13

14 * 8 # Cenários de Telefonia IP Servidor 1979 XXXXXX = IP do Gateway XXXXXX = IP do Gateway 2 * 8 # Rede Telefonica Rede Internet Rede Telefonica Gateway 1 Gateway 2 Cenário 4 : Telefone para Telefone ou PC para Telefone passando por Servidor O servidor tem como objetivo fornecer a resolução do prefixo e redirecionar a ligação para o gateway correto Capacitação Interna RNP GT-VOIP 14

15 Codificadores de Áudio ITU-T G.711 Taxa de Transmissão: 64 kbps (8bits/125µs) Codificação do Tipo: Pulse Code Modulation 8000 amostras/seg quantizadas em 256 níveis (8 bits) Níveis de quantização têm espaçamento logaritmo Baixo Atraso de Processamento Capacitação Interna RNP GT-VOIP 15 ITU G.729A Taxa de Transmissão: 8 kbps (80bits/10ms) Codificação do Tipo: ACELP (Algebraic-Code- Excited Linear-Prediction) Entrada PCM linear 16, construção de banco de coeficientes para filtragem Atraso de Codificação: 10ms (quadro), 5 ms (lookahead), 10 ms (processamento) = 25ms Utilizado com sucesso na rede VOIP AARNet

16 Codificadores de Áudio ITU-T G Taxa de Transmissão: 5,3 kbps (158bits/30ms) 6,3 kbps (189bits/30ms) Tipos de Codificação: ACELP para 5,3 kbps e ML-MLQ para 6,3 kbps Algoritmo parecido com o G.729, entretanto com maior janela de observação (180 amost.). Atraso de Codificação: 30 ms (quadro), 7,5 ms (lookahead), 30 ms (processamento) = 67,5 ms Capacitação Interna RNP GT-VOIP 16 Supressão de Silêncio e Ruído de Conforto O Anexo B do G.729 e Anexo A do G descrevem o detector de atividade de voz (VAD), e o gerador de ruído de conforto para a compressão de silêncio; Entretanto, o VAD pode apresentar alguns problemas indesejáveis como falhas no começo das palavras devido ao threshold para detectar a atividade da voz.

17 Medindo a Qualidade Avaliações Subjetivas Mean Opinion Score Valor de 0 a 5 representando a qualidade do áudio 0 inaceitável até 5 excelente Avaliações Objetivas ITU-T G.113 Valores de 0-100, onde 0 representa a pior qualidade e 100 a melhor. Usa tabela de valores subjetivos previamente medidos para analisar a qualidade; ITU-T G.114 e-model Combina diversos parâmetros de performance em um modelo computacional complexo Capacitação Interna RNP GT-VOIP 17

18 Relacionamento com a Qualidade (MOS) Capacitação Interna RNP GT-VOIP 18

19 Relacionamento com a Qualidade (MOS) One-Way Delay ITU G > % Packet Loss ITU G.113 G729A (VAD) , , ITU G.113 G.723 (VAD) Capacitação Interna RNP GT-VOIP 19

20 H Abordagem ITU-T de Telefonia IP Gatekeeper: Gerencia o registro, status e Gateway H.323/PSTN: tradução dos admissão de usuários formatos de transmissão e (RAS) procedimentos de comunicação entre H.323 e Rede Telefônica (PSTN) Rede de Telefonia Convencional Rede Local Gatekeeper Terminal H.323: ponto final da comunicação multimídia Terminal H.323 Central Telefônica (PBX) Terminal H.323 Terminal H.323 Servidor de Conferência : suporte a conferências entre três ou mais pontos terminais MCU Capacitação Interna RNP GT-VOIP 20 Gateway PSTN/H.323 Herança da Rede Telefônica Endereçamento de números telefônicos Encapsulamento das mensagens de sinalização ISDN Maior tempo de padronização Maior quantidade de produtos Padrão usado pelo Internet2 VOIP Working Group

21 H Abordagem ITU-T de Telefonia IP Sinalização H.323 Protocolo RAS - Requisições de Registro / Admissão / Status Acontecem sempre dos terminais H.323 para o Gatekeeper Requisições de abertura de chamadas Sinalização de Estabelecimento de Chamada (Q.931/H.225) e Controle de Mídia (H.245) Existem 2 modos de operação entre terminais H Modo Direct Routed 2 Modo Gatekeeper Routed Capacitação Interna RNP GT-VOIP 21

22 Modo Direct vs GK-Routed 1 Modo Direct Routed Quando o Gatekeeper fizer a admissão da chamada, ele provê ao terminal H.323, o endereço IP do terminal procurado. RAS Gatekeeper RAS Gatekeeper RAS A sinalização de estabelecimento de chamada prossegue diretamente entre os terminais H.323 Terminal H.323 Sinalização Q.931 H.245 RTP / RTCP Terminal H.323 Capacitação Interna RNP GT-VOIP 22

23 Modo Direct vs GK-Routed 2 Modo Gatekeeper Routed Gatekeeper RAS Gatekeeper Neste modo de atuação, o Gatekeeper intermedia a sinalização de estabelecimento de chamada (Q.931) e de negociação da mídia (H.245), como se ele fosse o terminal chamador. RAS Terminal H.323 Q.931 H.245 Q.931 H.245 RTP / RTCP H.245 Q.931 RAS Terminal H.323 Capacitação Interna RNP GT-VOIP 23

24 SIP - Abordagem IETF de Telefonia IP O SIP utiliza algumas características da Internet, como: URLs (para endereçamento); Comunicação entre domínios administrativos através de DNS Herança do protocolo HTTP (requisições e respostas no formato texto); MIME-types podendo enviar qualquer conteúdo no corpo das mensagens SIP (como fotos, vídeo, páginas web) Capacitação Interna RNP GT-VOIP 24

25 SIP Session Initiation Protocol Servidor Redirect: envia uma Cliente SIP: ponto final mensagem da para os clientes contendo o novo endereço SIP comunicação multimídia procurado Servidor SIP Redirect Location Service SIP Client 12 Servidor SIP Proxy Exemplo de Mensagem SIP (12) : SIP/ OK Servidor Proxy: realiza a From : Cesar Marcondes sinalização <sip:cesar@voip.nce.ufrj.br> como se fosse o To : Vitor <sip:vitor@uol.com.br> originador da chamada Via : SIP/2.0/UDP proxysip.voip.nce.ufrj.br Call-ID : @ CSeq : 8324 INVITE 11 Servidor SIP Proxy SIP Client Data Data Servidor SIP Proxy Data Data Capacitação Interna RNP GT-VOIP 25

26 Aspectos de Segurança Possível Solução: Uso de Gatekeeper com Função de Proxy de Sinalização H.225/H.245 e RTP/RTCP Somente o GK tem as portas liberadas no Firewall Network Address Translation (NAT) Capacitação Interna RNP GT-VOIP 26

27 Segurança no Gateway Gatekeeper Internet Usar Modo Gatekeeper Routed Rotear a sinalização H.225 / porta 1720 Aplicar filtragem no Gateway Liberar UDP todos Bloquear TCP 1720 de todos menos do Gatekeeper Gateway H.323 / PSTN PBX Capacitação Interna RNP GT-VOIP 27

28 Interoperando com a Telefonia Convencional Interfaces FXS FXO E&M E1 Entrar em contato com os responsáveis da área de telefonia da instituição, para verificar quais são as interfaces disponíveis no PBX e qual sinalização é usada Capacitação Interna RNP GT-VOIP 28

29 Interface FXS Foreign Exchange Station Uma interface FXS (ou Foreign Exchange Station) conecta diretamente um telefone, um aparelho de fax ou dispositivo similar que tenha ring, voltagem, e tom de discagem. Isto faz com que o Gateway permita emular uma linha telefônica para este telefone. A interface usa o conector RJ-11. Capacitação Interna RNP GT-VOIP 29

30 Interface FXO Foreign Exchange Office A interface FXO (Foreign Exchange Office) é um conector RJ-11 que permite uma conexão analógica com o PBX ou linha telefônica. O FXO é plugado diretamente no extremidade de uma linha do PBX para que ele pense que a interface FXO é um telefone. Entretanto, a interface FXO não permite plugar um telefone convencional, pois ela não provê tom de discagem. A configuração padrão de sinalização entre PBX e esta linha é loop-start. Podendo ser modificado outro valor como ground-start, para evitar problemas como o glare. Capacitação Interna RNP GT-VOIP 30

31 Tronco Analógico E&M Os troncos analógicos permitem conectar sistemas de telefonia, como ligações entre PBXs e ligação com a operadora. A forma mais comum de tronco analógico é a interface E&M (receive e transmit) RJ11. A sinalização E&M define um lado como circuito do tronco e outro lado como unidade de sinalização para cada conexão. Essa sinalização é similar aos DCE, (Data Circuit-Termination Equipment) e DTE (Data Terminal Equipment). Normalmente, o PBX fica com o lado tronco, e a operadora (ou o gateway VoIP) é fica com o lado unidade de sinalização. A sinalização E&M é usada para suportar tie-line ou sinalização entre switches telefonicos. Sendo que esta sinalização pode ser de 5 tipos diferentes, configurável nos Gateways. Capacitação Interna RNP GT-VOIP 31

32 Tronco Digital E1 Módulos de Tronco Digital E1 são usados para permitir que as instituições enviem a sua telefonia digital em 30 canais simultâneos E1 pela rede. Estes módulos permitem receber a informação de taxa constante E1 e convertê-la em formato compactado usando VoIP. Para fazer isso, entretanto, precisamos de alguns recursos especiais (no caso do Cisco 2600) : Ter um tronco E1 disponível no PBX. Instalar o IOS 12.1(2)T ou maior - 48 MB é o minimo para 1 ou 2 E1s. Suportar o pacote IP Plus - 16 MB de memória Flash. Instalar uma placa E1 de alta-densidade (NM-HDV-1E1-30). Instalar pelo menos 1 PVDM-12. Sendo possível instalar no máximo 5 PVDM-12 nos slots da placa E1 de alta-densidade. Cada PVDM-12 é composto de DSP para compressão de áudio. Se usarmos codecs de alta complexidade, cada PVDM processa até 6 ligações simultâneas por PVDM-12. Se usarmos codecs de média complexidade, ele processo até 12 ligações simultâneas por PVDM-12. Capacitação Interna RNP GT-VOIP 32

33 Plano de Discagem Um plano de discagem ou plano de numeração descreve os aspectos de endereçamento e roteamento na rede de telefonia O plano identifica números telefônicos que estão associados a regiões e a maneira como é feito o roteamento, através de prefixos, por exemplo. A proposta preliminar do Plano de Discagem GT- VOIP será baseada em H.323. Capacitação Interna RNP GT-VOIP 33

34 Cenário Discagem entre Ramais Virtuais Capacitação Interna RNP GT-VOIP 34

35 Cenário Peering H.323 entre Instituições Capacitação Interna RNP GT-VOIP 35

36 Cenário Bypass de Ramais Virtuais para Reais Capacitação Interna RNP GT-VOIP 36

37 Cenário Bypass entre Ramais Reais Capacitação Interna RNP GT-VOIP 37

38 Cenário Extensão do VoIP para fora da Instituição Capacitação Interna RNP GT-VOIP 38

39 Peering com Internet2 Capacitação Interna RNP GT-VOIP 39

40 Monitorando as ligações Objetivo: Monitorar com maior nível de detalhes, as ligações que usem a telefonia convencional Proposta: Usando servidor RADIUS (FreeRadius) RADIUS protocolo de autenticação Usa mensagens UDP (porta 1812/1813) Pode usar mensagens específicas dos fabricantes (Vendor-Specific Attributes VSAs) Gateways Cisco e Alcatel, implementam RADIUS cliente Em caso de falha, pode usar servidores redundantes Capacitação Interna RNP GT-VOIP 40

41 Funcionamento do Monitoramento Contabiliza o start do segmento VoIP (Call-leg) = VoIP / answer Inicia uma chamada para Contabiliza o stop #3354 do segmento VoIP (Call-leg) Servidor RADIUS Call-leg = Telephony / originate Finaliza a chamada Contabiliza o start do Contabiliza segmento de o stop Telefonia do segmento (Call-leg) de Telefonia (Call-leg) Ramal #3354 Computador Netmeeting Finaliza a chamada Roteador Cisco 2600 Capacitação Interna RNP GT-VOIP 41 Inicia a chamada no lado da telefonia (#3354) Central Telefonica NCE/CCMN

42 Análise dos Registros das Chamadas Start Resumida (VOIP) Stop Resumida (VOIP) Called-Station-Id = Acct-Status-Type = Start h323-conf-id=4a879fa1 AFB41E B 17373FDC h323-call-origin=answer h323-call-type=voip Called-Station-Id = Acct-Status-Type = Stop h323-conf-id=4a879fa1 AFB41E B 17373FDC h323-call-origin=answer h323-call-type=voip h323-connect-time=16:58: BRDT Mon Nov h323-disconnecttime=16:59: BRDT Mon Nov h323-disconnect-cause=10 h323-remoteaddress= Capacitação Interna RNP GT-VOIP 42

43 Interactive Voice Response Possível solução para prover acesso a rede VoIP nas instituições Conceito: Servindo como ponte entre as pessoas e bancos de dados ou serviços, IVRs conectam os usuários usando telefones com a informação que eles precisam. A operação normalmente leva em conta a aplicação de DTMF por parte do usuário. Idéia: Bem-vindo ao sistema de Voz sobre IP da UFRJ, por favor entre com seu código de acesso e senha Após o usuário ter entrado corretamente com código de acesso e senha, dá um segundo tom de discagem O usuário neste instante pode fazer uma ligação usando o Plano de Numeração H.323 da rede VOIP da RNP Capacitação Interna RNP GT-VOIP 43

44 Sistema de Planejamento de QoS para VoIP O objetivo deste sistema é prover uma infra-estrutura de planejamento para o uso futuro de ligações de voz sobre IP com qualidade na RNP2. Princípio é realizar ligações simuladas, entre pontos que se conectarão com VoIP e mapear a qualidade de serviço que será sentida pelos usuários. Foi desenvolvido um ambiente experimental de geração e recepção de tráfego de telefonia IP, coletando e armazenando os dados do comportamento dos fluxos multimídia enviados via protocolo RTCP e medidas instantâneas. Capacitação Interna RNP GT-VOIP 44

45 Sistema de Planejamento de QoS para VoIP Participação nos Testes dos PoPs: SC, PR, DF, MG, CE, AM e NOC-RJ; Ligações realizadas com diferentes codificadores de áudio (G.711, GSM, G.723.1); Gravação do arquivo de áudio no trecho mais congestionado; Integração com medidas MRTG (RNP) Capacitação Interna RNP GT-VOIP 45

46 Medidas Coletadas Medidas Instantâneas Traceroute e MRTG Medidas Médias (Feedback RTCP) Capacitação Interna RNP GT-VOIP 46

47 Resultados Obtidos Link Projetos -> GT-VOIP RNP2 -> Medidas VOIP RNP2 Capacitação Interna RNP GT-VOIP 47

48 Comparativo entre Gateways (VoIP) Roteador Cisco 2600 com interfaces de Voz 2 portas ethernet de 10 Mbps 2 links seriais (até 2 Mbps) Placas de telefonia VIC (2 FXO e 2 FXS) Funcionalidades (depende do IOS) Roteamento RIP/OSPF e multicast; Serviços integrados (RSVP) e diferenciados; IVR (Interactive Voice Response); Programação de Tons de Discagem; DTMF Relay; Soluções H.323/SIP/MGCP (+ memória); Pode atuar como Gatekeeper (perde interfaces); Monitoramento de Voz com RADIUS/Syslog; Planos de Discagem Flexíveis (expr. regulares); Possibilidade de Fragmentação no Enlace; Solução de NAT; 11 codecs de áudio; Listas de Acesso; Placas de Alta Densidade E1. Cisco 2600 Capacitação Interna RNP GT-VOIP 48

49 Comparativo entre Gateways (VoIP) Switch Ethernet Alcatel OmniAccess 512 com Interfaces FXS/FXO Switch Layer 3 12 portas ethernet 10/100 Placas de Telefonia (4 FXO e 2 FXS) Link serial (até 2 Mbps) Funcionalidades (dependente do software instalado) Gerenciamento de VLANs, inclusive provendo o roteamento entre elas; Serviço de Autenticação permitindo associar usuário a VLAN correspondente; Roteamento RIP, OSPF, Multicast; Autenticação RADIUS; Criação de VPNs; Solução Baseada somente em H.323, com possibilidade de interação com GK. Fax Relay / Modem Relay / DTMF Relay; Planos de Discagem Flexíveis (expr. regulares); Qualidade de Serviço (Serviços Integrados e Diferenciados); Codificadores G.711, G.723.1, G.729A, Fax T.38. Placas de Alta Densidade E1. Capacitação Interna RNP GT-VOIP 49

50 Comparativo entre Gateways (VoIP) Planet VIP Gateway (Internet Telephony Gateway 2/4/8-port) Funcionalidades (dependente do software instalado) é possível realizar upgrade de firmware Configuração baseada em Web, Plano de Discagem Simples DTMF Relay Segundo Tom de Discagem A interface FXO é loopstart Codificadores G.711,G kbps, G kbps e G.729 AB Faixa de portas RTP configurável Não tem modelo com placas de alta densidade E1, mas pode conectar 8 portas E&M Não tem mais nenhuma função dentro da rede, é apenas um Gateway H.323/PSTN Suporta somente H.323. Capacitação Interna RNP GT-VOIP 50

51 Comparativo entre Gateways (VoIP) Quicknet Linejack Creative VoIP Blaster Preço: U$ Hardware para Cancelamento de Eco Áudio Full-Duplex Codificadores de Áudio baseados em Hardware reduz Atraso e Carga da CPU Atua em conjunto com computador PC Em conjunto com software OpenH323, como PSTN Gateway, provê uma interface FXO de telefonia IP Não precisa de configuração de IRQ No máximo 16 placas no mesmo computador Preço: U$ Possui processador DSP Atua em conjunto com computador PC nas portas USB Precisa de drivers do site Fobbid para atuar Em conjunto com software OpenH323, como OpenPhone (ou Ohphone, no caso Linux), provê uma interface FXS de telefonia IP Capacitação Interna RNP GT-VOIP 51

52 Próximos Passos Realizar medições com backbone RNP2 operando com QoS para tráfego VOIP Realizar chamadas simultâneas a um único POP Testes com interfaces E1 Definição final do plano de discagem Aquisição de gateways para piloto GT-VOIP Implantação inicial do serviço do piloto Capacitação Interna RNP GT-VOIP 52

53 Obrigado Cesar A. C. Marcondes GT-VOIP/RNP NCE/UFRJ Maiores informações Acesse nosso website: Capacitação Interna RNP GT-VOIP 53