CURSO TÉCNICO EM TELECOMUNICAÇÕES REDES DE TELECOMUNICAÇÕES Carlos Eugênio Benicio Duarte (ORGANIZADOR) PRONATEC

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1 Ministério da Educação - MEC Secretaria de Educação Profissional e Tecnológica (SETEC) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará CURSO TÉCNICO EM TELECOMUNICAÇÕES REDES DE TELECOMUNICAÇÕES Carlos Eugênio Benicio Duarte (ORGANIZADOR) PRONATEC

2 CRÉDITOS Presidente Dilma Vana Rousseff Ministro da Educação Aloizio Mercadante Oliva Secretaria de Educação Profissional e Tecnológica Marco Antônio de Oliveira Reitor do IFCE Virgílio Augusto Sales Araripe Pró-Reitor de Extensão Zandra Maria Ribeiro Mendes Dumaresq Pró-Reitor de Ensino Reuber Saraiva Santiago Pró-Reitor de Administração Tassio Francisco Lofti Matos Coordenador Geral Jose Wally Mendonça Menezes Coordenador Adjunto Armênia Chaves Fernandes Elaboração do conteúdo Luiz Fernando Teixeira Pinto Romulo Oliveira Albuquerque Equipe Técnica Carlos Henrique da Silva Sousa David Moraes de Andrade Evangelista Agostinho dos Santos Coordenador Adjunto Campus Juliana Silva Liberato Supervisor(es) Curso(s) Odilon Monteiro da Silva Neto Orientador(es) Curso(s) Renata Maria Paiva 2

3 O QUE É O PRONATEC? Criado no dia 26 de Outubro de 2011 com a sanção da Lei nº /2011 pela Presidenta Dilma Rousseff, o Programa Nacional de Acesso ao Ensino Técnico e Emprego (Pronatec) tem como objetivo principal expandir, interiorizar e democratizar a oferta de cursos de Educação Profissional e Tecnológica (EPT) para a população brasileira. Para tanto, prevê uma série de subprogramas, projetos e ações de assistência técnica e financeira que juntos oferecerão oito milhões de vagas a brasileiros de diferentes perfis nos próximos quatro anos. Os destaques do Pronatec são: Criação da Bolsa-Formação; Criação do FIES Técnico; Consolidação da Rede e-tec Brasil; Fomento às redes estaduais de EPT por intermédio do Brasil Profissionalizado; Expansão da Rede Federal de Educação Profissional Tecnológica (EPT). A principal novidade do Pronatec é a criação da Bolsa-Formação, que permitirá a oferta de vagas em cursos técnicos e de Formação Inicial e Continuada (FIC), também conhecidos como cursos de qualificação. Oferecidos gratuitamente a trabalhadores, estudantes e pessoas em vulnerabilidade social, esses cursos presenciais serão realizados pela Rede Federal de Educação Profissional, Científica e Tecnológica, por escolas estaduais de EPT e por unidades de serviços nacionais de aprendizagem como o SENAC e o SENAI. Objetivos Expandir, interiorizar e democratizar a oferta de cursos de Educação Profissional Técnica de nível médio e de cursos e programas de formação inicial e continuada de trabalhadores; Fomentar e apoiar a expansão da rede física de atendimento da Educação Profissional e Tecnológica; Contribuir para a melhoria da qualidade do Ensino Médio Público, por meio da Educação Profissional; Ampliar as oportunidades educacionais dos trabalhadores por meio do incremento da formação profissional. Ações Ampliação de vagas e expansão da Rede Federal de Educação Profissional e Tecnológica; Fomento à ampliação de vagas e à expansão das redes estaduais de Educação Profissional; Incentivo à ampliação de vagas e à expansão da rede física de atendimento dos Serviços Nacionais de Aprendizagem; Oferta de Bolsa-Formação, nas modalidades: Bolsa-Formação Estudante; Bolsa-Formação Trabalhador. Atendimento a beneficiários do Seguro-Desemprego; 3

4 Redes de Telecomunicações GLAUCIONOR LIMA DE OLIVEIRA

5 SDH Hierarquia Digital Síncrona INTRODUÇÃO O primeiro telefone viável, na prática, foi considerado pouco mais que um brinquedo (Alexander Graham Bell, 1876: requerimento de patente respectivo à transmissão eletromagnética de voz). Parece que ninguém tinha idéia do impacto que o telefone iria causar mais tarde no mundo. Em nossa sociedade industrial moderna, o intercâmbio de informações chega a assumir um papel quase tão importante quanto os fatores básicos de produção: capital e trabalho. Ingressamos em uma nova era da história: a era da informação e das comunicações. A partir do início da década de 1970, muitas concessionárias de serviços de telecomunicações decidiram começar a instalar exclusivamente sistemas digitais. Essa decisão visava a implementação eventual da Rede Digital de Serviços Integrados - RDSI, com o objetivo de oferecer a maior variedade possível de serviços aos clientes. Contudo, são necessários equipamentos digitais de transmissão e comutação para que se dê a transição à RDSI. Para chegar a esse ponto, primeiro será necessário passar por uma série de etapas. Vamos voltar um pouco mais no tempo: em 1938, Allan H. Reeves sugeriu o uso de uma nova técnica para a amostragem, quantização e transmissão de sinais de voz codificados. A criação da codificação denominada modulação por associação de códigos a pulsos (Pulse Code Modulation-PCM), para a transmissão de sinais em altas taxas de bits, tornou possível transmitir sinais múltiplos através de um único circuito, empregando técnicas de Multiplexação por Divisão de Tempo (Time Division Multiplexing-TDM). Esta descoberta, no entanto, estava muito além de sua época. Os sistemas de transmissão PCM só ficaram economicamente viáveis por volta de 1961, com o advento dos semicondutores e o aumento na demanda por serviços de telefonia. O rápido desenvolvimento a nível internacional teve como resultado uma série de padrões nacionais para os multiplexadores de primeira ordem. Mais tarde, os sistemas digitais interurbanos entraram em cena. Ao longo dos anos, três padrões foram adotados: O padrão norte americano, utilizado nos EUA e Canadá, com uma velocidade primária de 1,544 Mbit/s (T1); O padrão europeu, nos países CEPT (Committee European de Post ET Telegraph), baseado em uma velocidade primária de 2,048 Mbit/s (E1); Estes padrões empregam a Hierarquia Digital Plesiócrona ou quase síncrona (Plesiochronous Digital Hierarchy - PDH, do grego Plesiós, que significa quase e chronous, que significa relógio) na transmissão dos sinais. Um ajuste das velocidades através do processo de justificação ou enchimento (stuffing) é necessário ao efetuar-se a multiplexação, devido às diferenças entre os relógios dos tributários. A extração e a inserção de sinais de voz e dados a partir de fluxos de informação a velocidades altas exige uma tecnologia bastante complexa de multiplexadores. Surge mais tarde a Hierarquia Digital Síncrona (Synchronous Digital Hierarchy SDH), com objetivo básico de formar um padrão internacional unificado e facilitar o processo de extração e inserção de tributários, tornando as redes mais flexíveis. Desta forma, a gerência das redes poderia tornar-se mais eficaz e mais econômica. Além do mais, a demanda crescente por enlaces de comunicações de faixa larga poderia ser satisfeita mais facilmente. Estas mesmas considerações aplicam-se ao Modo de 2

6 Transferência Assíncrono (Assynchronous Transfer Mode-ATM), que já é uma realidade, principalmente em redes corporativas. A partir da década de 60, os primeiros sistemas PCM foram introduzidos, com o propósito de aumentar a capacidade de transmissão dos cabos existentes para interconectar localmente centrais eletromecânicas de comutação. Até 1984, aproximadamente, usava-se a rede telefônica apenas para serviços de comunicações em faixa estreita. Ainda hoje muitas redes telefônicas funcionam segundo o mesmo princípio. A introdução da Hierarquia Digital Síncrona - SDH trouxe grandes benefícios no sentido de melhoria das possibilidades de gerência das redes, graças ao seu cabeçalho (overhead) expandido e à técnica mais versátil de multiplexação. Os assinantes não deverão dar-se conta destas mudanças na fase inicial, mas as concessionárias poderão reagir mais ágil e eficientemente às exigências de seus clientes. 3

7 CAPÍTULO 1: 1 DESCRIÇÃO DA HIERARQUIA PDH 1.1 Conceitos Básicos Sobre Comunicações Digitais Centrais telefônicas eletrônicas, telefones celulares, modernos PABX e sistemas de transmissão trabalham com sinais digitais binários. Contudo, a voz humana é analógica e antes de ser manipulada por esses equipamentos, deve ser digitalizada. Compreender como ocorre essa digitalização é fundamental para entender a importância dos sistemas baseados na Hierarquia Digital Síncrona (Synchronous Digital Hierarchy SDH). No início deste século, os cientistas descobriram que não era preciso transmitir a voz o tempo todo para que fosse compreendida. Enviar amostras do sinal elétrico análogo à voz, tomadas a intervalos regulares, seria o bastante para recuperar o sinal original depois. Do outro lado da linha, um circuito eletrônico transformaria as amostras num sinal analógico muito semelhante ao original. Harry Nyquist, engenheiro americano que trabalhava no Bell System nos anos 20, concluiu que utilizando-se uma taxa de amostragem igual a duas vezes a componente de maior frequência do sinal analógico, seria possível recuperar o sinal original. Com os canais de voz limitados em uma faixa de 0 à 4 khz, temos uma taxa de 2 x 4KHz, ou amostras por segundo. Cada amostra é comparada com 256 patamares predefinidos, que correspondem às 256 possibilidades de palavras de 8 bits. Se a amplitude da amostra estiver mais próxima do patamar 80, por exemplo, recebe o código de 8 bits referente à este patamar, e assim por diante. Este processo de codificação é conhecido como modulação por associação de códigos a pulsos, cuja sigla é PCM ( Pulse Code Modulation ). Como são feitas 8 mil amostras por segundo, cada qual rotulada com 8 bits, o resultado da digitalização da voz humana, em aplicações telefônicas, é uma sucessão de 64 mil bits por segundo, ou 64 Kbps. Esse sinal é o tijolinho básico dos sistemas de telecomunicações. Na outra ponta, do lado do receptor, ocorre o processo inverso. O sinal de 64 Kbps do canal de voz é decomposto em 8 mil códigos de 8 bits. Um conversor lê cada código e produz, em sua saída, um pulso de amplitude correspondente. E outro circuito transforma os 8 mil pulsos num sinal analógico contínuo, semelhante ao sinal original. O importante é entender que na entrada do conversor analógico-digital há um sinal elétrico cujas variações de amplitude são análogas às variações de amplitude do sinal de voz, e na sua saída há uma torrente de bits que se sucedem ao ritmo de 64 Kbps. Este sinal digital é chamado de canal PCM. Os sinais digitais são manipulados mais facilmente, e a transmissão é mais imune a ruídos. Os mesmos equipamentos projetados para tratar voz digitalizada também podem tratar sinais de dados e vídeo. 1.2 Quadro PCM de 2 Mbps Logo os engenheiros perceberam que seria possível projetar sistemas de transmissão mais baratos e eficientes por meio da mesclagem de vários canais PCM e da transmissão síncrona dessa mescla por um único par de fios, o mesmo que antes era ocupado por um só sinal analógico. O método usado para combinar vários canais de 64 4

8 Kbps em uma única torrente de bits de maior velocidade é conhecido como TDM (Time Division Multiplexing). O conceito é simples: Alinham-se 32 canais PCM. Um byte de cada canal é transmitido por vez, num canal de saída de alta velocidade. O multiplexador TDM lê o primeiro byte de cada um dos canais PCM, todos ao mesmo tempo. Cada um desses bytes dura 125µs, após o que são armazenados na memória do multiplexador. Da memória do MUX, os bytes são enfileirados na saída de alta velocidade: o primeiro byte do canal 1, depois o primeiro do canal 2, e assim por diante até o primeiro byte do canal 32, quando o processo recomeça para o segundo byte de cada canal. Só que, na saída, cada byte dura apenas 3,90625µs. Em outras palavras, os 32 primeiros bytes de cada um dos 32 canais PCM duram o mesmo tempo (125µs) que cada byte da entrada. Com isso, a velocidade da torrente de bits na saída do mux é de 2,048 Mbps ou 32 vezes 64 Kbps. Desses 32 canais, o primeiro é usado para controle e sincronismo do seletor rotativo que, na outra ponta do sistema, desfaz a intercalação ou desmultiplexa, e o décimo sétimo é usado para sinalização. Essa é a estrutura de um enlace PCM, também chamado de enlace E1 (por ser um padrão europeu) e de sinal de 2 Mbps: 30 canais de voz ou 31 canais de dados, 2 canais para sinalização e sincronismo e taxa de 2,048 Mbit/s. Antigas centrais telefônicas eletromecânicas eram interligadas por meio de circuitos eletrônicos analógicos com 2 ou 4 fios. A técnica de digitalização da voz usando PCM e a de construção de enlaces com 30 canais de voz simultâneos (enlace E1) representaram uma revolução nas telecomunicações. 5

9 Conforme a procura por serviços telefônicos foi crescendo, ficou claro que o padrão E1 seria insuficiente para escoar todo o tráfego entre as grandes centrais telefônicas. Para evitar um número excessivo de enlaces E1 entre as centrais, cuja manutenção seria cara e complexa, foi preciso criar multiplexadores que intercalassem vários enlaces E1 num único cabo coaxial ou fibra óptica. Na Europa e no Brasil, adotou-se o padrão que intercalava quatro enlaces E1, produzindo um sinal de 8,448 Mbps em um processo semelhante ao da multiplexação de 6

10 32 canais PCM. Desta forma, surge a formação dos quadros PCM de ordem superior, de acordo com os padrões apresentados a seguir. 1.3 Hierarquia PDH Americana, Européia e Japonesa Estas hierarquias são baseadas em velocidades primárias diferentes. Tudo o que elas possuem em comum são os canais de 64 Kbps. Na Europa, por exemplo, a taxa primária é composta por 32 canais de 64 Kbps, resultando em um tributário de 2,048 Mbps; já nos EUA, a taxa primária é composta por 24 canais de 64 Kbps, resultando em um tributário de 1,544Mbps. Ao cruzar fronteiras internacionais, a conversão é necessária para que ocorra compatibilidade entre as tecnologias. Isto se deve justamente ao fato de não haver um padrão na PDH, ao contrário do que ocorre na SDH. A figura 2.6 ilustra as hierarquias PDH atuais e alguns dos fatores de conversão possíveis entre elas. 1.4 Quadros PCM de Ordem Superior Os espaços de carga do quadro multiplexado de ordem superior não são intercalados byte a byte, como no quadro primário (PCM de 2 Mbps), e sim bit-a-bit. Além disso, em função dos bits de enchimento, as taxas de transmissão aumentam cada vez mais nos processos de multiplexação. O comprimento dos quadros de cada nível hierárquico é arbitrário. Para localizar os espaços de carga dos tributários e os bits de serviço, cada nível hierárquico tem seu 7

11 próprio sinal de alinhamento de quadro específico para esse nível. Por último, os bits de serviço são muito limitados em sua capacidade, somente permitindo um pequeno transporte de alarmes. Na Hierarquia Plesiócrona adotada no Brasil, para os quadros de ordem superior, o quadro de cada nível hierárquico contém quatro espaços de carga (um para cada tributário), intercalados bit-a-bit e precedidos de um sinal de alinhamento de quadro (repetido a cada novo quadro). Cada espaço de carga possui uma capacidade ligeiramente superior à necessária para os bits do tributário. Em uma posição específica, o multiplexador tem a opção de copiar ou deixar de copiar um bit de informação do tributário. Quando a defasagem acumulada entre o tributário e o espaço de carga chega a um bit, o mux deixa de copiar um bit de informação nesse espaço, avisando ao demux para que pule esse bit ao recuperar os bits úteis daquele tributário. O Quadro PCM de 8 Mbps 8

12 A figura 1.4 ilustra o quadro de 2 a ordem (8Mbps), detalhando a sua estrutura em geral. Os bits C, que se encontram na primeira posição do segundo, terceiro e quarto blocos do quadro, são utilizados para indicar ao DMUX se a posição designada como S contém ou não um bit de informação. Quando o bit S contém informação, os bits C assumem o valor 0. Quando o bit S é de justificação (vazio), os bits C assumem o valor 1, indicando ao DMUX que este bit deve ser pulado ao percorrer os bits do tributário. A informação sobre se o bit S contém ou não informação está repetida três vezes, por segurança, uma vez que deixa de reconhecer uma justificação implicaria um slip (deslizamento) de um bit no sinal demultiplexado. Estrutura matricial para os quadros PCMs de 8M, 34M e 140 Mbps. As figuras abaixo ilustram os quadro PCMs de ordem superior na forma matricial, onde cada sub-quadro é colocado um abaixo do outro, formando um quadro, mostrando os bits de sincronismo (FAS), informação (I), controle de justificação (C) e justificação (S). 9

13 1.5 Processo de Sincronização da PDH Os tributários transportados no quadro PCM de 2 Mbps são armazenados nos respectivos espaços de carga (intervalo de tempo). Como o quadro não permite ajustar a velocidade de cada tributário ao espaço de carga a ele destinado, os tributários têm que ser síncronos ao quadro primário, pois de outro modo ocorreriam deslizamentos (slips) periodicamente. A função das centrais de comutação é retirar a carga (tributário de 64 Kbps) contida nos quadros primários que lhes chegam, e colocá-la nos espaços de carga dos quadros primários gerados por elas mesmas em direção a outros elementos de rede mais adiante. Os tributários têm que caber exatamente nos espaços de carga, se não o fizer, os elementos que realizam a comutação introduzirão slips ou deslizamentos. Devido a essa problemática, para que um sinal de 64 Kbps ou n x 64 Kbps possa ser transportado sem ser danificado, é preciso que todos os sinais de 64 Kbps sejam síncronos aos quadros de 2 Mbps, e que todos os quadros de 2 Mbps sejam síncronos ente si. Para evitar ter que sincronizar também os multiplex de ordem superior, a multiplexação dos tributários a partir de 2 Mbit/s obedece a um esquema bastante distinto. Nos sistemas multiplex digitais de segunda ordem, seguindo a hierarquia de 2,048 Mbps, os sinais tributários que irão formar um sinal composto a 8,448 Mbps são ditos plesiócronos. Para se efetuar a formação do sinal composto é preciso primeiramente fazer com que estes sinais plesiócronos tornem-se síncronos. Um dos métodos usualmente empregados e que é adotado nos multiplex digitais de alta hierarquia é o método de justificação positiva. Este processo consiste em se fazer a inserção de informações redundantes em intervalos de tempo reservados para tal, nos quatro sinais tributários de entrada. Após este processo de sincronização, os sinais tributários são multiplexados em um sinal composto a Kbps. 10

14 No caso do multiplex de 2ª ordem, para a sincronização dos sinais de cada tributário de entrada (plesiócrono), é realizado o armazenamento dos sinais de cada tributário em uma memória elástica. A escrita nessa memória é seqüencial e comandada pelo relógio de 2,048 MHz recuperado do próprio sinal de entrada. A leitura dessa memória (seqüencial) é realizada utilizando-se um relógio interno de 2,112 MHz. Como o relógio de leitura tem freqüência maior que o relógio de escrita, em determinado momento haveria uma sobreposição de dois bits, e consequentemente, um erro de leitura. Para evitar tal erro, as fases do relógio de escrita e do relógio de leitura são comparadas ente si, e na iminência de um erro de leitura, o comparador de fases comanda a inserção de um espaço vazio no relógio de leitura, o que significa paralisar a operação de leitura da memória elástica. Esse espaço vazio no relógio de leitura impede a antecipação do relógio de leitura sobre o de escrita, evitando assim erros de leitura da memória elástica. Tal operação é denominada operação de justificação. Como a velocidade de leitura é ligeiramente superior à velocidade com que chegam os dados de cada tributário, a memória elástica tende sempre a esvaziar-se. Ao ocorrer uma defasagem entre os relógios de leitura de escrita de um bit, há uma ordem de ajuste (stuffing). O quadro seguinte será marcado e, na posição designada para o bit extra, receberá um bit stuffing. Ao gerar esse bit extra, o multiplex deixa de ler a memória por um período de relógio, e ela volta a encher-se com o bit do tributário que não foi lido durante a inserção do bit extra. Desta forma ocorre um ajuste da velocidade entre os tributários. Conceito de memória elástica 11

15 Como a velocidade de leitura é ligeiramente superior à velocidade com que chegam os dados de cada tributário, a memória elástica tende sempre a esvaziar-se. Ao ocorrer uma defasagem entre os relógios de leitura e escrita de 360 graus (um bit), há uma ordem de ajuste (stuffing). 12

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17 CAPÍTULO 2: 2 A HIERARQUIA DIGITAL SÍNCRONA Princípios Básicos da Hierarquia Síncrona Generalidades A Hierarquia Digital Síncrona (Synchronous Digital Hierarchy - SDH) consiste em um sistema de transmissão digital de alta velocidade, cuja característica básica é a formação de um padrão internacional unificado, diferente do contexto PDH, que possui três padrões diferentes (americano, europeu e japonês). Um sistema unificado proporciona maior capacidade e eficiência na gerência das redes, bem como uma considerável redução de custos. O processo de multiplexação, por ser mais flexível, se torna muito mais simples em relação à PDH, que necessita de simetria de equipamentos em todos os pontos da rede. Um sinal SDH pode ser inserido dentro de uma taxa maior, sem passar por estágios intermediários. Uma característica básica do quadro SDH é que ele está organizado em bytes, e não em bits. O início de cada quadro dos tributários, ao contrário do que ocorre na Hierarquia Plesiócrona (PDH), não é indicado por uma palavra de alinhamento de quadro, e sim por ponteiros. Na SDH, só existe um sinal de alinhamento de quadro à velocidade da linha (é o mesmo para qualquer STM-N). Os quadros tributários têm a posição de seu início no espaço de carga indicado pelos ponteiros. Há sempre um ponteiro associado a cada espaço de carga. Os ponteiros indicam em qual dos bytes do espaço de carga encontra-se o primeiro byte do quadro container virtual. Os ponteiros também servem para resolver eventuais diferenças de velocidade entre os sinais tributários e os respectivos espaços de carga (chamados de Unidade Tributária ou Unidade Administrativa, conforme o caso) nos quais os tributários são copiados para serem transportados. Outra característica da SDH é possuir um cabeçalho grande o suficiente para permitir designar vários canais de grande capacidade para funções de supervisão, operação, manutenção e gerência dos elementos de transporte da rede. Os quadros dos tributários podem ser subdivididos segundo esquemas bem definidos para acomodar espaços de carga (unidades tributárias) de menor ordem. Estas unidades tributárias, por sua vez, recebem quadros tributários sob a forma de VC s (virtual containers) correspondentes ao seu tamanho. Essa flexibilidade permite misturar sinais de hierarquias distintas em um módulo básico STM-1 (Synchronous Transport Module). A simplicidade do processamento permite a realização de redes flexíveis, com o uso de nós de rede capazes de copiar para e desde o sinal de linha, um ou vários tributários através de um Multiplexador insere/deriva (Add Drop Multiplexer - ADM) ou copiar tributários de um sinal de linha para outros sinais de linha, realizando uma matriz temporal de comutação de containers virtuais (SDXC-Synchronous Digital Cross Connects). As características mais importantes da SDH são: Tratamento a nível de byte; Duração de quadro uniforme (125µs); Utilização de ponteiros para identificar os quadros dos tributários e adaptação de velocidade (justificação); 14

18 Canais de serviço e supervisão de grande capacidade, permitindo a implementação de uma gerência de rede TMN (Telecommunications Management Network); Padronização mundial que permite compatibilizar as 3 hierarquias existentes; Alta capacidade de transmissão; Acesso direto aos tributários de baixas taxas sem passar pelos estágios intermediários; Permite a implementação de arquiteturas mais eficientes e flexíveis com o uso de ADM s e SDXC s, reduzindo o custo nos nós da rede; Compatibilidade com as técnicas ATM (Assynchronous Transfer Mode) Descrição das Camadas O ITU-T subdividiu as redes de transporte SDH em três camadas, que são: camada de circuito, camada de via e camada do meio de transmissão (fig.3.1). Existe uma relação servidor/cliente entre essas camadas, onde a camada inferior é cliente da camada imediatamente superior e esta é servidora da camada imediatamente inferior. Cada camada tem seus próprios procedimentos de operação e manutenção. Camada de Circuito Provê aos usuários serviços de telecomunicações tais como: Comutação de circuitos e comutação de pacotes. Diferentes camadas de circuito podem ser identificadas de acordo com os serviços fornecidos; Camada de Via É utilizada para dar suporte aos diferentes tipos de camadas de circuito. No caso da SDH, existem dois tipos: a Camada de Via de Ordem Inferior e a Camada de Via de Ordem Superior. A monitoração desta rede de camadas é possível através do POH (Path Overhead) de ordem inferior ou superior; Camada do Meio de Transmissão É dividida em camada de seção e camada de meio físico. A camada de seção se ocupa com todas as funções para a transferência de informação entre dois nós na camada de via. A camada de meio físico se ocupa com o meio de transmissão em si (fibra ótica, rádio ou par metálico), a qual serve à camada de seção. Existe também uma camada opcional denominada Camada Tandem. Esta camada trata do transporte confiável da carga útil da camada de via e seu cabeçalho através da rede, isto é, o propósito da camada de conexão Tandem é fornecer funções de manutenção a nível de rede. A camada de conexão Tandem é composta por várias seções multiplex. 15

19 2.1.3 Taxas de Transmissão da SDH Todos os sinais plesiócronos que aparecem nas redes atuais podem ser transportados sobre a SDH, o que significa que a rede SDH é completamente compatível com as redes existentes. Além disso, a capacidade de transporte da SDH tem flexibilidade para acomodar os mais avançados sinais para serviços particulares, como: ATM, FDDI, DQDB entre outros. Com a definição de uma interface de rede padronizada (Network Node Interface- NNI), os sistemas SDH permitirão a interconexão direta de equipamentos de transmissão de diferentes fornecedores e possibilitarão a conexão destes diversos tipos de sinais à rede SDH. Na SDH é definida uma estrutura básica de transporte de informação denominada STM-1 (Synchronous Transport Module), com taxa de 155,520Mbps. Esta estrutura define o primeiro nível da hierarquia. As taxas de bit dos níveis superiores são múltiplos inteiros do STM-1. Atualmente estão padronizados quatro módulos de transporte: STM-1, STM-4, STM-16, STM-64 e STM-256. Com a necessidade de se definir uma estrutura de quadro com capacidade de transmissão mais baixa que o STM-1, surgiu o STM-0, para utilização principalmente em sistemas de rádio-enlace e satélite. Essa estrutura possui taxa de 51,840 Mbps, não sendo considerada um nível hierárquico SDH. O ANSI (American National Standards Institute) padronizou esta estrutura com capacidade de transmissão de 16

20 1/3 do STM-1, que é denominado OC-1 (Optical Carrier nível 1) e corresponde ao primeiro nível da hierarquia americana (Synchronous Optical Network-SONET) Estrutura de Multiplexação da SDH Na SDH a informação está organizada em Módulos Síncronos de Transporte-STM, os quais contêm três áreas básicas: SOH (Cabeçalho de Seção) Cumpre funções de sincronismo de quadro, canais de serviço, funções de controle, etc. AU Pointer (Ponteiro da Unidade Administrativa): Indica como está estruturada a informação na área da carga útil, e indica como localizar os virtual containers, onde está a informação dos tributários. Payload (Área de carga útil): Composta de containers virtuais, os quais recebem e acomodam organizadamente a informação dos tributários. Dentro da carga útil, cada container virtual possui um cabeçalho próprio encapsulando os dados de usuário (POH - cabeçalho de via). Os NNI s (Network Node Interface) ou Interface de Nó da Rede (terminais com capacidade de derivação e inserção) interpretam os ponteiros para localizar os containers virtuais, que contêm os dados para derivação ou inserção. Podemos interpretar o módulo de transporte como um trem cujos vagões são containers virtuais que podem ser manipulados nos pátios das estações de transferência 17

21 de carga (NNI s). A seguir, seguem algumas definições para que possamos compreender a estrutura de multiplexação: Container : C-11, C-12, C-2, C-3 ou C-4 O Container consiste de uma estrutura de informação de tamanho apropriado, que transportará o sinal tributário enquanto este permanecer na rede SDH. Sua função é adaptar os tributários em espaços de carga padrão (containers), que serão transportados através da rede. Existe um número limitado de containers definidos para as taxas mais comumente encontradas na rede. Ver figura 3.9. A função de adaptação de um tributário na rede SDH é feita através de mapeamento do sinal tributário no container síncrono. Se o sinal tributário for plesiócrono ou assíncrono, o processo de mapeamento inclui justificação de bit. Assim, o tributário de 2,048 Mbps é mapeado no tributário C-12, o tributário de 34,368 Mbps é mapeado no C-3 e o tributário de 139,264Mbps é mapeado no C-4 (fig.3.3). 18

22 Virtual Container : VC-n Um Virtual Container ou Container Virtual é uma estrutura de informação utilizada para acomodar as conexões da camada de via do SDH. Ele é composto pelos campos da carga útil (container) e do cabeçalho de via POH (Path Overhead), organizados em uma estrutura que se repete a cada 125 µs. Os VC s são categorizados segundo um nível n. Para n=1 e 2, temos um VC de ordem inferior, que é composto por um único container C-1 ou C-2 e um cabeçalho de via (POH) de ordem inferior. Um VC-3 será de ordem inferior quando estiver associado a um TU-2. Para n=3 e 4, temos um VC de ordem superior, que é composto por um único container C-3 ou C-4 ou por um conjunto de Grupos de Unidade Tributária (TUG-2 ou TUG- 3) e por um cabeçalho de via de ordem superior. Os sinais tributários (por exemplo, um feixe de 2 Mbps) são arranjados dentro de um VC para transmissão ponto-a-ponto através da rede SDH. O VC é montado e desmontado apenas uma vez, mesmo se ele precisa ser transferido de um sistema de transporte para outro várias vezes em seu caminho através da rede. Tributary Unit: TU-12 ou TU-3 Tributary Unit ou Unidade Tributária (TU) é uma estrutura de informação que proporciona adaptação entre a camada de via de ordem inferior e a camada de ordem superior. Uma TU-12 é constituída por um payload de informação (VC-12) e um ponteiro de TU, através do qual se obtém a diferença em bytes entre a posição ocupada pelo overhead de via do VC-12 e o início do VC de ordem superior. Uma TU-3 é uma estrutura constituída por um VC-3 e um ponteiro de TU, através do qual se obtém a diferença em bytes entre a posição ocupada pelo primeiro byte do overhead de via do VC-3 e o início do VC-4. Administrative Unit: AU-3 ou AU-4 Administrative Unit ou Unidade Administrativa (AU) é uma estrutura de informação que proporciona adaptação entre a camada de via de ordem superior e a camada de seção de multiplex. A AU-3 é constituída por um payload de informação (VC-3) e um ponteiro de AU, através do qual obtém-se a diferença em bytes entre a posição ocupada pelo primeiro byte do overhead de via do VC-4 e o início do quadro STM-N. Tributary Unit Group : TUG-2 ou TUG-3 O entrelaçamento byte a byte de três TU-12, os quais ocupam posições fixas em relação ao início do virtual container de ordem superior (VC-3 ou VC-4), constitui um Grupo de Unidades Tributárias-2 (TUG-2). Um Grupo de Unidades Tributárias-3 (TUG-3) é obtido a partir do entrelaçamento byte a byte de um TUG-2, ou a partir de um TU-3. Administrative Unit Group: AUG O entrelaçamento byte a byte de três AU-3, os quais ocupam posições fixas em relação ao início do quadro STM-N, constitui um Grupo de Unidades Administrativas (AUG). Um único AU-4 também se constitui num AUG. Synchronous Transport Module: STM-N 19

23 O Módulo de Transporte Síncrono STM é uma estrutura de informação utilizada para permitir conexões entre camadas de seção através da Hierarquia Digital Síncrona (SDH). Um STM-N é uma estrutura que se repete a cada 125µs, constituída por um payload de informação (um AUG que resultará em um STM-1 ou quatro AUG s entrelaçados byte a byte que resultarão em um STM-4 ou dezesseis AUG s entrelaçados byte a byte que resultarão em um STM-16) e um overhead de seção (SOH). A estrutura de multiplexação da SDH padronizada pelo ITU-T, através da norma G.709 está ilustrada na figura abaixo. Nesta estrutura podemos identificar as diversas camadas da rede SDH e a sua formação a partir dos tributários. Os espaços de carga para os tributários são constituídos por vários bytes intercalados no quadro, em subdivisões consecutivas, de forma muito ordenada. O container virtual VC-4 contém um cabeçalho de via (POH) com canais de serviço e supervisão ponta a ponta. Os demais bytes desse quadro VC-4 podem constituir um grande espaço de carga definido como C-4, o qual abriga um sinal PDH de 140 Mbps, ou podem estar subdivididos em três espaços iguais de carga de TUG-3. Cada TUG-3 por sua vez, pode ser designado como uma unidade tributária de 3ª ordem (TU-3). A diferença entre TU-3 e TUG-3 é sutil. Uma TU-3 tem todos os seus bytes considerados como um espaço de carga sólido, capaz de transportar um quadro tributário de 3ª ordem (VC-3), o qual acomoda um sinal PDH de 34 ou 45 Mbps. A TU-3 possui um ponteiro associado a ela indicando em qual de seus bytes encontra-se o início do VC-3. A TUG-3 que se segue subdividindo em unidades tributárias (TU s) menores, por outro lado, não possui um ponteiro associado, e sim uma indicação de sua ausência. Neste caso, a TUG-3 subdivide-se primeiramente em 7 TUG-2; estas por sua vez, sempre se subdividem em 3 TU-12 cada uma. 20

24 O VC-12 é um quadro contendo um espaço com capacidade para receber um sinal PDH de 2,048 Mbps (C-12). A esse container C-12 agrega-se um pequeno cabeçalho de via para alarme, controle de erros ponta a ponta e bits de serviços. Nos países de hierarquia compatível com a CEPT, o quadro STM-1 conterá sempre um VC-4, o qual pode subdividir-se ou não, de acordo com a arquitetura da rede e a velocidade útil das vias a implementar. Nos EUA, devido ao fato de já existirem as redes SONET, que trabalham com VC-3 ao invés de considerar que a área de carga do quadro básico STM-1 é única, divide-se esta área em três unidades administrativas (AU-3) Estrutura do Quadro STM-1 Podemos fazer uma analogia do sistema SDH com o sistema de transporte rodoviário. Se há necessidade de se entregar algo entre dois pontos, são necessários caminhões. Dependendo da quantidade de itens a serem transportados, será necessário um container maior ou menor. Dependendo do tamanho dos itens a serem transportados, serão necessários estrados, para permitir um empilhamento simples dentro do container. Para diferentes mercadorias, serão necessários diferentes estrados e instruções de carregamento. A analogia do sistema rodoviário com a rede SDH pode ser feita da seguinte forma: Estrada Fibra Ótica, rádio digital ou satélite. Caminhão STM-N Containers VC s Estrados TU s Na SDH, os caminhões são quadros em um feixe de dados digitais síncronos. Dentro do quadro, uma seção de container é definida como um VC-4. Dentro do VC-4, dependendo do serviço, um arranjo de empilhamento do estrado é definido e chamado de quadro de unidade tributária (TU). O VC-4 pode não precisar da estrutura de quadro TU se o serviço ocupar todo o VC-4 (ex: 140 Mbps no STM-1). Cada elemento da rede SDH localiza o início do quadro STM-1 através de uma seqüência repetitiva no quadro, ou seja, por um sinal de alinhamento de quadro. Essa seqüência é transmitida nos 6 primeiros bytes do quadro. Uma vez que esteja alinhado 21

25 com o quadro de linha, o elemento de rede sabe então onde encontrar os canais de serviço do cabeçalho, os bytes do ponteiro de AU e os bytes da carga útil. Na figura a baixo temos a transmissão seqüencial dos bytes do STM-1 (155 Mbps). Temos a divisão do sinal digital em quadros de 125 s. Cada um destes quadros serão subdivididos em 9 sub-quadros. Cada um destes sub-quadros possui 270 bytes, onde os primeiros 9 bytes pertencem ao cabeçalho de seção (SOH) e os outros 261 bytes pertencem a carga útil (payload). Para facilitar o entendimento, um único quadro de um feixe de sinal serial pode ser representado por um mapa bi-dimensional. O mapa bidimensional consiste de 9 linhas e 270 colunas de caixas. Cada caixa representa um byte dentro de um sinal síncrono. Seis bytes de quadro (3xA1 e 3xA2) aparecem no extremo superior esquerdo do mapa bidirecional. Os bytes de quadro atuam como um marcador, permitindo que qualquer byte dentro do quadro seja facilmente localizado. Os bits de sinal são transmitidos em uma seqüência que se inicia com aqueles da primeira linha. A ordem de transmissão é da esquerda para a direita. Depois da transmissão do último byte do quadro, a seqüência se repete. O conceito de transporte intacto dos sinais através de uma rede síncrona resultou no termo Quadro de Transporte Síncrono aplicado à estrutura de sinais síncronos. 22

26 Um quadro de transporte síncrono compreende três áreas distintas e facilmente acessíveis dentro da estrutura de quadro. A primeira é o Payload (carga útil), a segunda é o Section Overhead (SOH) e a terceira é o ponteiro que está dentro do SOH. A figura abaixo ilustra o conceito de quadro de transporte síncrono para o STM-1. Este diagrama não pretende ser proporcional. Na verdade, como se pode ver, a parte à esquerda (Cabeçalho de Seção SOH) contém apenas 9 bytes em cada linha; como cada linha tem 270 bytes no total, há 261 bytes em cada linha na área de carga útil. a ) Cabeçalho de Seção ( Section Overhead SOH) O SOH é a informação adicionada ao payload para gerar um STM-N. No SOH podem ser encontradas as informações de alinhamento de quadro, manutenção, monitoração de desempenho e outras funções operacionais. O conteúdo da informação do RSOH (Regenerator Section Overhead) pode ser examinado e modificado não somente pelos terminais de uma seção mux, mas também pelos regeneradores de linha. Contêm, entre outras funções, o sinal de alinhamento de quadro, etiquetas, informações da gerência, supervisão de erros no sinal de linha (seção de regeneração) e canais de serviço digitais. A informação do MSOH (Multiplex Section Overhead) passa através dos regeneradores de maneira transparente e termina na camada da seção multiplexadora, onde os AUG s são montados e desmontados, monitorando dessa forma, o caminho percorrido dentro da camada da seção multiplexadora. Contém supervisão de erros de seção multiplex, canais de controle da comutação de proteção, canais de serviço digitais e canais reservados para uso futuro. 23

27 Os primeiros 9 bytes da quarta linha, a rigor, fazem parte da área de carga: é a área onde vai o ponteiro da AU-4 (caso europeu) ou os três ponteiros das três AU-3 (caso norteamericano). Cada nó de rede SDH representa um ponto terminal de uma seção multiplex. Ou seja, o quadro STM-1 nasce em um mux e morre no mux seguinte. Os únicos elementos transparentes ao quadro na rede são os regeneradores de linha, que somente lêem e escrevem nos canais do cabeçalho de seção de regeneradores (RSOH). Um mux recebe o sinal de linha, recupera o relógio de bits, alinha-se com o quadro e começa a processá-lo. Deriva a informação contida no cabeçalho e a entrega aos processos (internos) correspondentes. O mux recupera então o VC-4, ou seja, vai copiando seqüencialmente cada byte para uma memória FIFO (first-in first-out). Ao fazê-lo, o mux processa o ponteiro da AU-4 para saber se há justificação e poder copiar todos os bytes que efetivamente fazem parte do VC-4. Uma vez obtido o VC-4, este é processado pelo mux. Ele pode ser copiado para um AU-4 de um quadro que está gerando adiante. Neste caso, o mux indica através do novo valor de ponteiro AU-4, em que posição na área de carga do novo quadro encontra-se o início do VC-4. Por outro lado, o mux pode ser o ponto terminal de uma via de VC-4. Neste caso, o VC-4 tem seu cabeçalho extraído e processado. A área de carga do VC-4 é processada segundo sua composição; por exemplo, caso se trate de um C-4 contendo um sinal de 140 Mbps, o mux extrai os bits desse sinal e os encaminha a uma interface PDH correspondente. Se, por outro lado, a área de carga do VC-4 está subdividida em TU s, o mux recupera os bytes VC s de menor ordem que são necessários para derivação e cross conexão Estrutura do Quadro STM-N A estrutura de quadro do STM-N é obtida basicamente através da multiplexação dos payloads de módulos STM-1. Além da área de carga, o STM-N também possui informações para supervisão (SOH). Assim, da mesma forma que a estrutura de quadro do STM-1, o quadro STM-N também possui três áreas principais, que são: SOH (que compreende RSOH e MSOH) 24

28 Ponteiros da AU Payload (que contém os VC s) Estas áreas estão distribuídas no quadro da mesma maneira como ocorre nos quadros STM-1, de acordo com a figura anterior, variando apenas com o número de colunas de acordo com o N de cada STM-N. Na área de SOH serão 9 linhas e N x 9 colunas, e na área de carga, serão 9 linhas e N x 261 colunas. 25

29 CAPÍTULO 3: Redes convergentes Codificação de Voz No processo de codificação os valores do sinal analógico são codificados em uma seqüência de bits para que possam ser transmitidos pela linha. Processo de Codificação Digitalização da Voz É o processo de conversão de um sinal de voz/áudio para a forma digital, a partir de uma quantização linear ou logarítmica invariante no tempo. Fatores que influenciam na qualidade da voz digital: a) Taxa de amostragem b) Números de bits por amostra Faixa da Freqüência Hz Freqüência de Amostragem 8000 amostras por segundo Níveis de Quantização 256 Codificação 8 bits Banda Gerada 64 Kbps Características da digitalização do sinal de voz 26

30 A forma de digitalização do sinal de voz para o sistema telefônico usual atende a recomendação ITU (International Telecommunications Union) G Pulse Code Modulation - Lei A ou Lei (64 Kb). O sinal de voz após ser amostrado, quantizado e codificado pode ainda passar por um processo de compressão para que haja uma economia da largura de banda necessária para o tráfego desse sinal. É importante ressaltarmos que essa compressão deve ser realizada em tempo real. Em uma conversação existem ainda alguns aspectos, tais como o silêncio, que podem ser tratados antes da utilização de técnicas de compressão da voz. O silêncio tratase de uma informação inútil e por isso não precisa ser transmitido. Eliminando-se os intervalos de silêncio é possível diminuir a largura de banda necessária, utilizando para isso mecanismos de supressão de silêncio. Segundo [PAT 00] e conforme a figura abaixo, podemos notar que cerca de 56% de uma conversação é formada por silêncio ou pausas. O que reafirma a necessidade de se fazer um tratamento deste fato. Componentes de uma conversação Fonte: [PAT00] Quando em uma conversação há um intervalo de silêncio, nenhum pacote é enviado naquele instante e insere-se um ruído de conforto que tem como função informar ao receptor que a conversação ainda está estabelecida, causando assim uma sensação de conforto para o usuário. O silêncio não é transmitido Fonte: [PAT00] 27

31 Existem várias técnicas para realizar a compressão de voz. Cada uma possui um certo grau de complexidade e diminuem, diferentemente, a largura de banda necessária. O PCM, somente suporta compressão em termos de amplitude, e não de banda do sinal [XAV 00]. Portanto, foram desenvolvidas tecnologias mais complexas para a digitalização e compressão da voz e que também foram registradas através de recomendações da ITU [ALE 02]. Codificadores de Voz Realizam o processo de representação binária da voz/áudio com o compromisso de manter a menor taxa de transmissão possível e a melhor qualidade do sinal sintetizado. Classificação dos Codificadores de Voz a) Codificadores de forma de onda trabalham diretamente com o sinal de voz. Reproduz o sinal amostra por amostra. São codificadores de baixo custo e pequena complexidade, mas requerem uma taxa de transmissão elevada (>16Kb). b) Codificadores paramétricos são também chamados de VOCODERS ( Voice Coders). São baseados no modelo de produção da voz. A taxa de transmissão do Vocoder é baixa (<ou= 4,8Kb), mas o atraso e a complexidade são elevados e a voz soa sintetizada. c) Codificadores híbridos combinam a qualidade dos codificadores de forma de onda com a eficiência dos codificadores paramétricos. Geram taxa de transmissão de 4,8 a 16Kb. A qualidade da voz se aproxima dos codificadores de forma de onda, mas têm alta complexidade. Pode-se ver que um dos componentes necessários para transmissão de voz numa rede de dados é o Áudio CODEC (Codificador-Decodificador). Este componente é o responsável por transformar a voz humana (um sinal analógico) em uma seqüência de bits (um sinal digital) para transmissão numa rede de dados, fazendo amostragens periódicas no sinal de voz. Em equipamentos do tipo gateways VoIP, esses CODECs são implementados através de um componente chamado DSP (Digital Signal Processor). A introdução dos microprocessadores no final dos anos 70 e início dos anos 80 tornou possível usar técnicas de processamento digital de sinais (Digital Signal Processing) em um range muito maior de aplicações. Durante os anos 80 a importância crescente do processamento digital de sinais levou vários fabricantes importantes (como Texas Instruments, Analog Devices e Motorola) a desenvolverem os chips DSP, ou seja, microprocessadores especializados com arquiteturas projetadas especificamente para os tipos de operações requeridas ao processamento digital de sinais. Como um microprocessador de uso geral, um DSP é um dispositivo programável, com seu próprio conjunto de instruções nativas. O uso desses chips associados a algoritmos de compressão permitiu a implementação de diversas tecnologias de CODEC s. Exemplos de chips DSP são o DSP542 e DSP549 fabricados pela Texas Instruments e usados pela CISCO Systems em seus gateways VoIP [CISCO-CODEC1]. 28

32 Cada CODEC provê certa qualidade de voz. A medida de qualidade da voz transmitida é uma resposta subjetiva de um ouvinte. Uma medida comum usada para determinar a qualidade do som produzido pelos CODECs específicos é o MOS (Mean Opinion Score). Com o uso do MOS, um amplo range de ouvintes julgam a qualidade de uma amostra de voz (correspondendo a um CODEC particular) numa escala de 1 a 5. A partir desses resultados, é calculada a média dos scores para atribuir o MOS para aquela amostra [CISCO-CODEC2]. Na tabela 1 são apresentados alguns scores MOS para os CODECs mais usados. Na Tabela 2 são descritos os scores MOS. Método de Compressão Bit Rate (kbit/s) MOS Score Delay (ms) G.711 PCM G.726 ADPCM G.728 LD-CELP to 5 G.729 CS-ACELP G.729 x 2 Encodings G.729 x 3 Encodings G.729a CS-ACELP G MP-MLQ G ACELP Tabela 1: Scores MOS de alguns CODEC's [CISCO-CODEC2] Score Definição Descrição 5 Excelente 4 Bom Um sinal de voz perfeito gravado em um local silencioso Qualidade de uma chamada telefônica de longa distância (PSTN) 3 Razoável Requer algum esforço na escuta 2 Pobre Fala de baixa qualidade e difícil de entender 1 Ruim Fala não clara, quebrada 29

33 Os algoritmos de compressão são patenteados e seu uso obriga o fabricante do gateway VoIP a pagar royalties ao proprietário do algoritmo. Por exemplo, o G.729 é patenteado pela empresa VoiceAge Solutions [VOICEAGE]. Existem também algoritmos de compressão fechados (i.e., cujas especificações não são públicas nem licenciáveis). O algoritmo utilizado pela operadora de telefonia IP Skype ( propicia qualidade de comunicação superior, mesmo com linhas discadas (56 kbit/s). Recomendação ITU-T Algoritmo Taxa de bits (Kbps) Retardo (ms) Qualidade da voz Complexidade G.711 PCM 64 0,75 Excelente Muito Baixa G.726/G.727 ADPCM 32 1 Boa Baixa G.728 LD-CELP 16 2,5 Boa Média G.729/G.729 a CS-ACELP 8 10 Boa Alta G MP-MLQ 6,3 30 Boa Muito Alta G ACELP 5,3 30 Razoável Muito Alta Principais padrões de codificação especificados pela ITU A escolha do padrão a ser utilizado vai depender da necessidade da aplicação que queremos. Se a aplicação possui restrições quanto à largura de banda disponível, então o padrão a ser utilizado deve ser tal que a taxa de bits gerada seja suportável. Mas, se não tolera retardos, então o padrão a ser utilizado deve atender a este requisito. Comparativo entre Taxa de bits e Retardo entre os padrões de codificação ITU Note também que à medida que a complexidade aumenta, a taxa de bits diminui e o retardo aumenta. 30

34 Exemplo de codificador ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation) REDES CONVERGENTES Sabemos que no último século, os meios de comunicação passaram por um grande processo evolutivo que influenciou diretamente o comportamento da sociedade e os meios com que esta se relaciona. A Internet com seu grande potencial disseminador, informativo e principalmente comercial, é considerada hoje a mais nova etapa dentro deste processo de desenvolvimento da comunicação humana. Ela trouxe o conceito sobre vários tipos de mídia interagindo num mesmo ambiente, ou seja, aplicações multimídia. As redes de transmissão de voz, dados e imagem, foram projetadas para o transporte específico de cada tipo de informação ou tipo de mídia, o que as caracterizam como redes não convergentes. Como exemplo, a Rede de Telefonia Pública Comutada (RTPC), amplamente utilizada para a transmissão de voz. Nesse contexto, podemos levantar duas questões que justificavam o fato de haver redes específicas para cada tipo de mídia. A primeira é porque não existiam ou eram economicamente inviáveis tecnologias que permitissem uma operação integrada deste tipo de informação num só meio; a segunda está no fato de que não havia formulação de padrões pelos órgãos reguladores de telecomunicações, que viabilizassem a fabricação de equipamentos, para que no final tudo se tornasse realidade [JOÃO 04]. Quando falamos em convergência de redes ou redes convergentes, estaremos falando sobre a possibilidade de uma única rede capaz de prover serviços integrados de comunicação de dados, voz e imagem[joão 04]. 31

35 Dentro dos serviços de multimídia, o serviço de voz é sempre o primeiro a ser considerado quando se trata de integração de serviços em uma rede. A voz, por possuir requisitos de comunicação bastante rígidos, nos serve de base para o estudo da integração de serviços e a convergência de redes. No entanto, tais requisitos necessitam de regalias para que a qualidade de serviço QoS, possa ser atendida, garantindo assim a inteligibilidade da comunicação[joão 04]. TECNOLOGIAS DE REDES CONVERGENTES Basicamente o que tem motivado as empresas a optarem pela convergência de tecnologias é a redução de custos. A próxima geração de redes telefônicas provavelmente usará esta multiplexação de voz e dados ao longo das mesmas linhas de transmissão. Muitas tecnologias são boas candidatas para esta operação, como: VoIP Voz sobre IP VoFR Voz sobre Frame Relay VoATM Voz sobre ATM A utilização de uma ou outra tecnologia vai variar de acordo com as necessidades de cada usuário, baseado em uma séria de características próprias de cada sistema: performance, disponibilidade, facilidade de uso, etc. A infra-estrutura já instalada é também um ponto crucial para escolha da tecnologia que permitirá a implantação de uma rede convergente. Voz sobre IP VoIP De maneira prática quando falamos em voz sobre IP, estamos falando da implementação de uma rede convergente que permite o tráfego de voz sobe uma rede de dados cujo protocolo de comunicação é o IP (Internet Protocol). Há vários motivos que podem garantir o sucesso da utilização desta tecnologia. Umas delas é por causa da grande popularidade e uso do protocolo IP, pois em vários lugares as redes já utilizam o protocolo IP em suas redes de dados. A evolução das redes baseadas no protocolo IP, já 32

36 consolidado como um padrão para a comunicação de dados, desperta o interesse dos fornecedores de equipamentos de inter-rede, bem como dos fabricantes de equipamentos de telefonia e dos grandes fornecedores de serviços de telecomunicações, para técnicas de transmissão de voz sobre IP, motivando o crescimento da integração de dados e voz [FRE 02]. Aspectos básicos do Protocolo IP O Protocolo de Internet, IP, tornou-se bastante e popularizado devido a sua utilização na arquitetura Internet, juntamente com o protocolo TCP (Transmission Control Protocol), formando a pilha de protocolos TCP/IP. Esta arquitetura destacou-se principalmente pela simplicidade de seus protocolos e pela eficiência em interconectar sistemas heterogêneos, permitindo que computadores cooperem e compartilhem recursos de uma rede. Basicamente, a arquitetura baseia-se em um serviço de rede não orientado à conexão (datagrama não confiável) através do IP, e em um serviço de transporte orientado à conexão, oferecido pelo TCP. Juntos, estes protocolos se completam, oferecendo um serviço de comunicação simples e eficiente. O modelo da arquitetura da Internet se fundamenta em quatro camadas, onde cada uma executa um conjunto bem definido de funções de comunicação. APLICA ÇÃO TRANSPOR TE INTER- REDE R EDE TCP, UDP Datagram a IP (Frame Relay, ATM, Ethernet, PPP, X.25,...) Modelo de camadas da Arquitetura Internet Fonte: [SOA 95] Roteamento IP A tarefa de roteamento seja, talvez, a principal função do protocolo IP. O protocolo assume que qualquer host sabe enviar datagramas para qualquer outro host conectado à mesma rede. A função de roteamento torna-se mais complexa quando desejamos enviar datagramas a destinatários que estão conectados a uma outra rede. Neste caso, parte da função de roteamento é transferida para os gateways (roteadores), cabendo ao protocolo IP no host apenas o envio do datagrama a um dos gateways conectados a sua rede. 33

37 Funcionamento de Voz sobre IP A definição básica de voz sobre IP é a conversão de amostras de voz em uma série de pacotes e transmissão destes através de uma rede IP, remontando a amostra original da voz no ponto de chagada [FRE 02]. As soluções VoIP seguem um modelo de camadas hierárquico e que pode ser comparado ao modelo de referencia OSI. Aplicação de voz Compressão de sinal / Supressão de silêncio RTP / RTCP U DP I P Frame Relay, ATM, Ethernet Porta da interface Ap licação Apre sentação S essão Tr ansporte R ede E nlace F ísica Modelos de camadas de VoIP Fonte: [FRE 02] Basicamente, o efeito de cada camada no processo de comunicação VoIP é a adição de cabeçalho para controle e transmissão da informação. Como pode ser observado na figura acima, o pacote (cabeçalho + payload) que uma camada cria passa a ser o campo de payload da próxima, formando dessa forma o pacote IP para transmissão da voz. IP O IP é o responsável pela entrega pela entrega os pacotes entre os computadores da aplicação. Mesmo que ele não apresente nenhum tipo de garantia, verificação de erros ou de seqüência de pacotes, ele tem a vantagem de tornar a rede transparente para as camadas superiores envolvidas na transmissão de voz. Ao apresentar a questão desta maneira, a primeira impressão é de que o IP não é apropriado para o transporte de voz. Essencialmente, ele não é. Aplicações de tempo real, como a voz, requerem conexões garantidas e com características constantes de atraso. Por isto são utilizados mecanismos de garantia de qualidade de serviço, mas que são funções das camadas superiores. 34

38 Voz sobre Frame Relay - VoFR Inicialmente, o Frame Relay ganhou mercado como sendo uma tecnologia de conexões entre redes locais (LAN to LAN). Suas características técnicas o tornaram a melhor forma de interligação de redes locais. Contudo, o rápido crescimento das redes e serviços fez surgir uma aplicação emergente do Frame Relay, que é a incorporação do tráfego de voz à usual rede dados, criando assim uma nova tecnologia: voz sobre Frame Relay (VoFR). O Frame Relay que já vinha se mostrando um sucesso no atendimento às necessidades às comunicações de dados das empresas, agora se transforma em uma oportunidade de ganho financeiro a mais para as empresas, mostrando ser uma solução eficiente também para o tráfego de voz. Aspectos básicos do Frame Raley Basicamente, o Frame Relay é uma tecnologia que fornece um meio para enviar informações através de uma rede, dividindo essas informações em frames ou pacotes. Cada frame carrega um endereço que é usado pelos equipamentos da rede para determinar o seu destino. O Frame Relay surgiu como resultado da evolução do X.25. Foram retiradas funções de verificação e confiabilidade, as quais não são necessárias ao seu funcionamento, pois o Frame Relay supõe que as linhas de comunicação são livres de erros, compondo uma estrutura mais livre e eficiente [FRE 02]. A simplicidade de funcionamento de rede Frame Rela acarreta a falta de algumas funcionalidades, como mecanismos de retransmissão de pacotes, por exemplo, devido a perdas, sendo realizados, portanto, por protocolos de camadas mais altas, detectando e recuperando a perda de informação. Uma rede Frame Relay consiste basicamente pontos de usuário (estações, servidores), equipamento de acesso Frame Relay e de dispositivos de rede (switches, roteadores e/ou multiplexadores). Como vemos na figura abaixo, os dispositivos de rede, representados pelo Switch FR, executam seu papel dentro da nuvem Frame Relay, sendo responsáveis pelo encaminhamento dos pacotes pela rede. Rede Frame Relay Fonte: [FRE 02] O Frame Relay é uma tecnologia orientada à conexão com o estabelecimento de circuitos virtuais entre dois pontos. Assim, do ponto de vista do usuário, o meio de transmissão é uma linha privada virtual. Os circuitos virtuais estabelecidos podem ser 35

39 permanentes (PVC - Permanent Virtual Circuit) ou comutados (SVC Switched Virtual Circuit). A garantia de disponibilidade de largura de banda para cada um destes circuitos virtuais é realizada através de definições de parâmetros de tráfego como o CIR (Committed Information Rate). O CIR é, portanto, a largura de banda mínima garantida necessária para uma determinada aplicação. Funcionamento de Voz sobre Frame Relay Apesar das redes Frame Relay não terem sido desenvolvidas para atenderem às aplicações de tráfego isócrono, atualmente é possível atenuar a inadequação de atendimento às estas aplicações mediante o uso de equipamentos de acesso Frame Relay capazes de tratar as características de tais aplicações. Para o caso de uma integração de dados e voz no Frame Relay, utiliza-se um dispositivo chamado VFRAD (Voice Frame Relay Access Device), capaz de prover este tipo de tráfego. Os VFRADs são equipamentos de acesso Frame Relay que dão suporte ao tráfego de voz, sendo responsável por executar operações e procedimentos de forma que o pacote de voz possa ser transmitido, recebido e entendido na extremidade de destino. Rede de voz sobre Frame Relay Fonte: [FRE 02] Os sinais de informação que chegam ao VFRAD são organizados em filas de prioridades. Os sinais de voz são posicionados nas filas de mais alta prioridade, e os sinais de mais baixa prioridade são bufferizados até que os sinais de alta prioridade tenham sido enviados. O modelo de referência do FRF.11 define os equipamentos de acesso Frame Relay (VFRADs), com a presença de CODECs, podendo estes estarem adjacentes ou internos ao VFRAD; terminais finais, como aparelhos telefônicos, terminais de fac-símile, microcomputadores (suportando aplicativos de voz), dentre outros; multiplexadores; e sistemas de comutação de chamadas, tais como PBXs. 36

40 Voz sobre ATM VoATM Apesar da ênfase que é dada aos serviços de dados em altas velocidades sobre o ATM (Asynchronous Transfer Mode), as grandes redes de voz também se beneficiaram do desenvolvimento de infra-estruturas eficientes baseadas em ATM. O ATM surgiu da necessidade de um padrão que permitisse a interoperabilidade da informação sem distinção do tipo da informação. A intenção era a criação de uma arquitetura de rede que pudesse dar suporte à transmissão de tráfegos de diversas naturezas. Desta forma, o ATM se mostrou bastante eficaz no gerenciamento de redes convergentes onde voz e dados se integram, surgindo a tecnologia de voz sobre ATM (VoATM). Voz sobre ATM tornou-se, portanto, uma infra-estrutura única integrada, orientada a conexão, capaz de gerenciar e entregar eficientemente e com confiabilidade todos os sinais requeridos (dados e voz), serviços comutados e ou dedicados [FRE 02]. Aspectos básicos do ATM O ATM baseia-se na transmissão de pequenas unidades de informação de tamanho fixo e formato padronizado, denominadas células. Células são transmitidas através de conexões com circuitos virtuais sendo o seu encaminhamento baseado em informações de um cabeçalho contido em cada uma delas. Uma rede ATM é basicamente constituída por equipamentos terminais (TE), Switches ATM e Gateways, como podemos observar na Figura 5.9. Todos estes equipamentos devem implementar os padrões do modelo ATM. Célula ATM Rede ATM Fonte: [ALE 02] A célula ATM é composta por 53 bytes, sendo 5 destinadas ao cabeçalho e 48 aos dados de payload. As células são transmitidas através de conexões com circuitos virtuais, onde uma rota é estabelecida no momento da conexão. A principal vantagem da utilização de células de tamanho fixo está na maior facilidade de tratamento dado por hardware baseados em chaveamento (switches), quando comparado à quadros de tamanhos variáveis [MAC 99]. 37

41 Funcionamento de Voz sobre ATM A rede ATM deve prover um meio confiável e com qualidade para o tráfego de voz sem a necessidade de mudanças na forma de funcionamento atual das centrais digitais, garantindo a preservação do investimento realizado e a interoperabilidade entre os dois ambientes [FRE 02]. Desta forma, na maioria das aplicações de voz sobre ATM, as centrais digitais preservam todas as funções e tratam a rede ATM como um conjunto de canais digitais que sustentam o transporte de amostras de voz até o seu destino. Quando qualquer usuário realiza uma chamada para outro usuário discando um número, o PABX, através dos dígitos que recebeu do usuário, determina se a ligação é para um ramal diretamente ligado a central ou se é necessário rotear a chamada através de um canal de comunicação ATM. Implementação de voz sobre ATM Fonte: [FRE 02] Se um usuário utilizar o ramal 442 e discar o número 443, a central ao receber estes dígitos identifica que o número discado pertence ao plano de numeração local da central e a mesma fecha um circuito, estabelecendo a chamada entre o ramal 442 e 443. Se este mesmo usuário utilizar o ramal 442 e discar o número 552, a central ao receber estes dígitos identifica que o número discado não pertence ao seu plano de numeração local e através de uma parte do número discado, a mesma identifica que a rota que deverá ser utilizada para alcançar o ramal solicitado. Neste caso, a rota necessária para se chagar até o ramal 552 atravessa a rede ATM. Cabe ao ATM transportar as células contendo amostras de voz através da rede e entregá-las a outra central, que identifica o ramal 552, fechando-se o circuito e estabelecendo a comunicação. 38

42 Qualidade de Serviço O aspecto essencial da qualidade de serviço num sistema está diretamente relacionado ao nível de satisfação do usuário. Quando uma nova solução tecnológica é implementada, trabalha-se muito até atingir um ponto ideal de estabilidade operacional, que garanta a satisfação do cliente. Para o ITU (E.800), a qualidade de serviço é o resultado da atuação coletiva de diversos fatores num sistema, que determina como um todo a satisfação do usuário de um serviço de telecomunicações. Qualidade do sistema telefônico As tecnologias de transmissão de voz empacotada sobre redes de dados têm evoluído bastante e estão cada vez mais próximas de alcançar a qualidade de serviço hoje provida pelos sistemas telefônicos convencionais, também chamados de sistemas legados de telefonia. A qualidade de serviço da transmissão de voz nestes sistemas legados é o que ainda os mantém vivos. Nestes sistemas, esta qualidade é garantida pois: 1. a voz possui um caminho dedicado para uma única conversação; e a rede possui uma infra-estrutura confiável, pois se trata de um sistema já consolidado que ultrapassou obstáculos iniciais de implantação que uma tecnologia emergente passaria. Para garantir a qualidade da transmissão de voz numa rede de dados, devem ser observados os seguintes parâmetros: 1. Codificação e decodificação de sinal de voz; 2. Largura de banda e compressão de voz; 3. Atraso e flutuações de atraso; e 4. Congestionamento e perda de pacotes. A aplicação de voz é muito diferente das aplicações de dados. A voz não pode esperar, precisa ser transmitida em tempo real, para garantir a inteligibilidade e interatividade entre os pontos comunicantes. a) Digitalização A A Modulação por Codificação de Pulsos PCM, é uma técnica utilizada para codificar e decodificar um sinal de voz. Esta técnica de converte um sinal analógico de voz para digital correspondente a 64kbps. b) Compressão Técnica PCM 39

43 Para otimizar a utilização da banda de transmissão numa rede de dados transportando voz, existe a técnicas chamadas de compressão. Esta técnica é utilizadas para reduzir o sinal de voz a uma taxa satisfatória que não altere a qualidade do sinal original bem como o tráfego numa rede de dados. Sistemas de Compressão: Compressão G que permite que o sinal de voz seja reduzido de 64kbps para 8kbps, compressão de 8:1. G que possui uma compressão um pouco mais acentuada de aproximadamente 6 Kbps. c) Jitter Parâmetro que também pode afetar a qualidade do sinal é o atraso da comunicação que pode ser gerado no transporte da voz numa rede de dados. Esse atraso variável é chamado de jitter. Ele muda em tempo real, de acordo com as condições de tráfego e de congestionamento da rede. Jitter Percebe-se que utilizando sistemas convergentes, as redes podem oferecer mais serviços aos usuários. Com certeza ainda virão por aí novas necessidades. A tecnologia de 40

44 voz sobre dados é relativamente nova se a compararmos com a transmissão de voz em sistemas comutados. Tecnicamente, QoS, ou Qualidade de Serviço, é o fenômeno que pressupõe a entrega constante, previsível e satisfatória de um serviço, processo ou informação. Ela visa definir mecanismos de qualidade em que elementos de uma rede receberão parâmetros específicos de tráfego, para garantir: 1. A largura de banda de transmissão necessária para uma aplicação específica; e 2. Atrasos fixos e flutuações mínimas de atraso (jitter mínimo). Ou seja, na prática, QoS, não é uma funcionalidade que um sistema habilita ou desabilita, mas sim, um conceito que define funções e procedimentos que juntos implementam a qualidade de serviço necessária para a garantia dos requisitos em um sistema. Tipos Implementação de QOS na rede de dados Melhor esforço - é o tipo mais simples de serviço que uma rede pode oferecer, onde todos os pacotes são tratados da mesma forma. Ele não provê nenhuma forma de garantia de recursos nem otimização dos parâmetros de desempenho. Quando uma rede está congestionada, pacotes são simplesmente perdidos. E como a rede trata qualquer pacote igualmente, qualquer fluxo pode ficar comprometido pelo congestionamento. O que não é permitido para aplicações em tempo real, como voz e vídeo, que precisam de um mínimo de confiabilidade para operar com inteligibilidade satisfatória não comprometendo a interatividade. As principais tecnologias de QoS que emergiram nos últimos anos são: 1. Serviços Integrados e os Serviços Diferenciados que têm foco na alocação de recursos de transmissão; e 2. MPLS, que tem foco na otimização dos níveis de desempenho numa rede de dados. Os Serviços Integrados - basicamente provém a garantia de recursos através da reserva de banda de transmissão para determinada aplicação. Para receber garantia de recurso, uma aplicação deve antes fazer uma reserva prévia para que ela possa transmitir tráfego sobre a rede. O protocolo RSVP (Resource Reservation Protoco), desenvolvido pelo IETF, é um exemplo de protocolo para este estabelecimento de reserva de recursos. 41

45 Serviços Integrados Os Serviços Diferenciados - utilizam uma combinação de controle na periferia da rede, para provisão de recursos de banda e priorização de tráfego. Na arquitetura dos Serviços Diferenciados, o tráfego do usuário é dividido dentro de um pequeno número de classes de encaminhamento nos pacotes IP. Para cada classe, a quantidade de tráfego que cada usuários podem injetar na rede pode ser diferenciada e limitada a partir de um ponto específico da rede. Se Serviços Diferenciados O MPLS, Multiprotocol Label Switching - tem por objetivo a otimização de níveis de desempenho de uma rede IP, organizando recursos em uma rede de maneira mais eficiente para maximizar a probabilidade de entrega da informação minimizando custos desta entrega. Através de uma técnica denominada label switching (rótulo de encaminhamento), o MPLS visa estabelecer políticas que definem caminhos ou rotas para a entrega da informação e os níveis de prioridade de serviço que determinados tipos de tráfego devem ter. Protocolo MPLS Para este processo de roteamento do MPLS, o caminho que um pacote deve percorrer, deve ser estabelecido previamente para que este processo possa ser utilizado 42

46 através dos rótulos de encaminhamento. Este estabelecimento prévio de um caminho é bastante parecido ao estabelecimento de circuitos virtuais utilizado no Frame Relay. Resumindo: Provisão de QoS para o IP O protocolo IP e a arquitetura Internet são baseados em um conceito simples em que datagramas com endereços de origem e destino podem viajar por uma rede composta de equipamento e roteadores. No entanto, esta simplicidade é justificada pelo fato de que o IP não prover muitos serviços. Ele é responsável, apenas, pelo endereçamento e isto possibilita uma independência de cada datagrama, não sendo provido nenhum garantia de entrega dos dados. O IP provê, somente, o serviço do Melhor Esforço. Para suportar as aplicações de voz, em tempo real, os serviços IP devem ser suplementados. Isto requer a adição de dispositivos de diferenciação de tráfego sensível ao atraso, variação de atraso e descarte [FRE 02]. O desafio para se ter voz sobre IP é adequar as deficiências do protocolo à realidade da aplicação. Comparativos entre as Tecnologias Vimos as tecnologias que se mostraram eficientes para suportar o tráfego integrado de voz e dados. No entanto, alguns questionamentos típicos podem ser levantados como que tecnologia implementar? Quando implementar? Como determinar as condições favoráveis para a integração? As respostas a esses questionamentos podem ser decisivas para o sucesso da implantação de uma rede convergente. A utilização da atual infra-estrutura instalada é um ponto de partida para escolha da tecnologia a ser utilizada. Por esse motivo que é sempre muito importante que uma rede, durante sua instalação, esteja preparada para seu crescimento e para a agregação de novos serviços. Desta forma, se uma empresa já possui uma rede Frame Relay interligando suas filiais, é muito mais fácil implementar uma convergência com essa tecnologia do que reformular toda a rede para uma aplicação VoATM, por exemplo. O custo para essa reformulação seria muito alto. Porém, nem sempre as redes estão preparadas ou projetadas com escalabilidade necessária para receber novos serviços, como o de voz. Neste caso, as mudanças devem ser mais complexas, drásticas e dispendiosas; onde a escolha desta ou daquela tecnologia vai depender exclusivamente de suas características. A Tabela abaixo traz um comparativo entre as três tecnologias abordadas neste capítulo. 43

47 TEC. Camada Vantagens Desvantagens Aplicação IP 3 Frame Relay 2 ATM 2 Ubíquo; Alocação dinâmica de banda; Consolidação de tráfego na estação do usuário. Eficiência na gerência de banda; Alocação dinâmica de banda; Priorização de tráfego; Maturidade tecnológica. Alocação dinâmica da banda; Garantia de QoS; Única rede para integração de dados e voz desde o acesso de usuário até o backbone da rede. Overhead do protocolo IP; Gerenciamento complexo de QoS; Necessita de fragmentação para minimizar problemas de sequenciamento de grandes pacotes de dados. Ocorrência de congestionamentos podem prejudicar o tráfego de voz; Interoperabilidade entre fabricantes; Necessita de fragmentação para minimizar problemas de grandes pacotes de dados. Custo alto; Não é adequado para frações de T1 / E1. Comparativo entre as tecnologias IP, Frame Relay e ATM Fonte: [FRE 02] Resumindo: LAN; WAN; Internet. WAN. LAN; WAN. A Telefonia IP chegou. As redes de transporte de voz por meio de IP estão entre as tecnologias que mais evoluirão nos próximos anos. Segundo estudos de diversas consultorias, em oito anos, a voz transmitida via IP terá 95% de participação geral no tráfego mundial de voz. 44

48 As redes convergentes estão muito próximas de virar o padrão de redes corporativas, trazendo diversas mudanças no perfil das operadoras e em suas relações com clientes corporativos e parceiros estratégicos. A ênfase em serviços avançados será um diferencial competitivo e o desafio maior será superar questões técnicas que ainda constituem um obstáculo ou outro que impeça a total confiabilidade de uma rede baseada em IP. Telefonia IP Uma Central VoIP deve realizam as seguinte funções: 1. Codificação/decodificação do sinal de voz 2. Compressão de voz G723.1 ou G Multiplexação de voz e dados; 4. Roteamento dos pacotes; 5. Funções de pabx. Uma rede corporativa é uma WAN, onde a matriz de uma corporação e suas filiais estão interconectadas através de circuitos dedicados contratados junto a uma operadora. 45

49 Em cada circuito de dados de 64 Kbps, contratado junto a uma operadora, podem ser transportadas até 6 chamadas simultâneas, dependendo da configuração do sistema. Ex. Voz em 64 Kbps à 8kbps + 2 Kbps (Header) = 10 Kbps Geralmente os administradores de rede definem um percentual da banda alocado entre sites para voz e o restante para dados. A definição da quantidade de chamadas simultâneas em um circuito de dados bem como a quantidade de circuitos contratados junto a uma operadora, vai depender da implementação e necessidades específicas a serem definidas pela corporação. 46

50 CAPÍTULO 4: Tecnologia de Voz sobre IP A tecnologia de VoIP (Voz sobre IP) é um conjunto de padrões que tem uma crescente utilização devido à redução dos custos dos equipamentos que o implementam e a reduções significativas nos custos de telefonia. Em função do equipamento disponível, podem ser estabelecidos os seguintes tipos de chamadas telefônicas: PC-a-PC o computador pessoal (PC) necessita ter instalado um programa softfone de um prestador VoIP e o originador da chamada deve saber qual é o numero, endereço IP ou nome do seu correspondente para o estabelecimento da ligação. PC-a-telefone como no caso anterior, o PC deve ter instalado um programa através do qual seja possível discar o número do telefone, ou utilizar um telefone IP ou um telefone tradicional (rede pública de serviço telefônico/public service telephony network - PSTN) com adaptador ATA (Analogue Telephone Adapter). 47

51 Telefone-a-telefone este tipo de chamada tem a vantagem de não ser necessário ligar o computador, porque o estabelecimento realiza-se do modo habitual. É tradicional o uso de equipamentos do tipo PABX para prover comunicação de voz entre usuários, através do uso de seus ramais analógicos ou digitais. Esses PABX s, por sua vez, são conectados às redes públicas de telefonia comutada (PSTN Public Switched Telephone Network) e/ou conectados entre si através de circuitos dedicados providos por uma operadora de telecomunicações, o que permite que os ramais internos originem e recebam chamadas de/para interlocutores localizados em qualquer lugar do planeta que também estejam, de alguma forma, conectados a uma PSTN. Quando uma empresa possui diversas filiais em localidades físicas distintas, cada uma dessas filiais via de regra tem o seu próprio PABX, e a interconexão destes às redes públicas de suas respectivas cidades garante a comunicação telefônica por toda a empresa. A designação VoIP vem de Voice over IP, onde IP é o tradicional Internet Protocol (definido na [RFC791] do IETF - Internet Engineering Task Force) utilizado tanto na Internet como em redes privadas de comutação de dados. O Voice over IP usa o protocolo IP para transmitir voz como pacotes de dados sobre uma rede IP. Desta forma, um sistema VoIP pode ser implementado em quaisquer redes que usem o protocolo IP: Internet, intranets e redes locais (Local Área Networks LAN s). Nesses sistemas o sinal de voz é digitalizado, comprimido, e convertido em pacotes IP antes de efetivamente ser transmitido pela rede. Protocolos de sinalização são usados para estabelecer e desconectar chamadas, transportar informações necessárias para localizar usuários e negociar funcionalidades. Os padrões mais conhecidos de protocolo de sinalização do VoIP são: [H.323] e SIP. O H323 foi definido pelo ITU (International Telecommunication Union) em A estrutura do H.323 pode ser vista nas figuras 1 e 2. 48

52 Figura 1: Estrutura do Protocolo H.323 Figura 2: Estrutura do Protocolo H.323 O padrão H.323 provê o alicerce para comunicações de áudio, vídeo e dados através de uma rede baseada no protocolo IP. Esse padrão tem como objetivo permitir que produtos e aplicações de multimídia de diferentes fabricantes possam inter-operar, permitindo aos usuários se comunicarem sem preocupações quanto a compatibilidade. 49

53 O H.323 é uma recomendação tipo guarda-chuva do ITU e que estabelece padrões para comunicações multimídia sobre redes locais que não provêm funcionalidades de Qualidade de Serviço (QoS). O H.323 pode ser usado em qualquer rede de pacotes sem garantias de qualidade de serviço ou de atraso, quer seja numa LAN ou WAN. A figura mostra a arquitetura H.323 completa incluindo terminais, Gatekeeper, MCU e gateway, que serão abordados mais adiante. O SIP (Session Initiation Protocol), é o padrão do IETF (Internet Engineer Task Force) para o estabelecimento de conexões VoIP. Ele é um protocolo de controle referente à camada de aplicações do Modelo de Referência OSI (Open System Interconnection), usado para iniciar, modificar ou terminar sessões ou chamadas multimídia entre usuários. Possui como funcionalidades a localização de usuários, estabelecimento de chamadas, suporte a unicast ou multicast, administração na participação de chamadas (transferências, conferência, outros) e a possibilidade de participação de um usuário em terminal H.323, via gateway. O sistema SIP consiste de dois componentes: User Agent: um agente do usuário é um sistema atuando em nome do usuário. Ele é formado por dois módulos: o cliente UAC (User Agent Client), responsável em gerar requisições e o servidor UAS (User Agent Server), responsável em responder as requisições. Os dois módulos são sempre obrigatórios para todo cliente. Servidores de rede: Existem três tipos sendo um servidor de registro que armazena as localizações dos usuários, um servidor proxy que recebe as requisições e manda para um próximo servidor que saiba a localização do usuário e um servidor de redirecionamento que também recebe requisições, mas retorna o endereço do servidor para onde a requisição deve ser encaminhada. A Figura 3.8 representa os componentes que fazem parte de uma rede SIP. 50

54 Transporte de Voz O protocolo RTP (Real Time Protocol), provê serviços de entrega fim-a-fim para dados com características de tempo-real, tais como áudio interativo e vídeo. Esses serviços incluem identificação do tipo de payload, numeração de seqüências, timestamping e monitoramento de entrega. As aplicações VoIP tipicamente rodam o RTP sobre UDP (serviço de transporte de dados sem conexão) nativo do protocolo IP, para tomar proveito de seus serviços de multiplexação e checksum, conforme pode ser verificado na recomendação [RFC3550] do IETF. Como o protocolo RTP não prevê a criptografia do payload, as comunicações telefônicas que utilizam VoIP estão sujeitas a ataques do tipo man-in-the-middle, nos quais o hacker captura o stream da conversação e transforma-o em arquivos tipo.wav ou.mdi para posterior reprodução e/ou divulgação. Isso pode ser evitado se os equipamentos terminais e/ou gateways implementarem critptografia via hardware (para evitar impacto no delay), ou se a comunicação entre terminais e/ou gateways trafegar por um túnel VPN (Virtual Private Network). Neste último caso é necessário avaliar se o delay adicionado pelo túnel VPN não irá comprometer a qualidade fim-a-fim da comunicação de voz. O IETF está trabalhando em um aperfeiçoamento do protocolo RTP chamado Secure RTP, o qual proverá confidencialidade, autenticação e replay-protection às comunicações baseadas no RTP [RFC3711]. 51

55 O protocolo RTCP é especificado na mesma RFC que o protocolo RTP. Considerado parte integrante do protocolo RTP, ele complementa a sua funcionalidade, permitindo ao transmissor receber relatórios dos receptores de como os dados estão sendo recebidos. No caso específico de VoIP, sua função é informar ao transmissor como a conexão está sendo vista pelo receptor em termos de QoS. O conjunto RTP/RTCP permite aos receptores compensarem o jitter da rede, por meio do controle do buffer e sequenciamento apropriado para que medidas corretivas possam ser tomadas, como a diminuição da taxa de transmissão para limitar a largura de banda utilizada. Qualidade de Serviço (QoS) O transporte de voz por comutação de pacotes deve levar em consideração que esse tipo de serviço precisa ser capaz de fornecer um nível de qualidade muito semelhante aos serviços de voz tradicionais baseados em comutação de circuitos e/ou multiplexação por divisão de tempo, sob pena de causar uma grande insatisfação nos usuários, já acostumados a essas tecnologias. Por este motivo qualquer tecnologia que vise prover serviços de voz numa rede de pacotes beneficia-se enormemente de mecanismos que garantam ou pelo menos aproximem essa qualidade. O conceito de Qualidade de Serviço (Quality of Service - QoS) refere-se à capacidade da rede em prover o melhor serviço para determinados tipos de tráfego sobre as mais diversas tecnologias, inclusive Frame Relay, ATM, Ethernet, SONET, e redes IP que usem algumas ou todas essas tecnologias. Seu principal objetivo é prover prioridade e, inclusive, o controle de banda dedicada, jitter e tempo de latência (necessários a alguns tipos de tráfego interativos e em tempo-real). A qualidade de serviços de voz sobre IP (ou qualquer outro tipo de protocolo de transmissão de dados) é muito afetada por problemas como delay (tempo que o sinal de voz leva para ser digitalizado, serializado, transmitido e recuperado na outra ponta), jitter (variações de delay) e perdas de pacotes. Portanto, numa situação ideal algum tipo de QoS precisaria ser implementado nas infra-estruturas de rede que irão suportar um serviço de VoIP. Existem várias técnicas para implementação de QoS, principalmente em se tratando de LAN s, onde todos os equipamentos pertencem a uma mesma empresa e 52

56 sobre os quais se tem total controle. Neste caso podem ser adquiridos comutadores (switches) que implementem várias dessas técnicas simultaneamente. Na prática, quando uma empresa deseja utilizar a Internet como backbone para serviços de VoIP, o máximo que se pode fazer é garantir que os gateways de borda (ou seja, aqueles instalados nos limites entre a Internet pública e as rede privadas da empresa) implementem DiffServ. Vale a pena atentar para o efeito provocado pelo ajuste do tamanho do payload nos frames IP usados para VoIP. O payload é a área de dados do frame onde a informação de voz codificada é colocada, conforme pode ser visto na figura a seguir. Figura 3: Encapsulamento VoIP num frame IP [CISCO-CODEC3] Quanto maior o payload, menor será o consumo de banda numa chamada VoIP, porém maior será o delay para transmitir cada frame desta chamada. CENÁRIOS DE IMPLEMANTAÇÃO DA TECNOLOGIA VoIP O cenário prático mais simples é aquele onde a empresa não vê como necessária a integração dos serviços tradicionais de voz (PABX e/ou PSTN) com os serviços de VoIP. Tipicamente é usado quando é pequeno o número de usuários que executam chamadas de longa distância. Na Figura 4 pode-se ver uma diagrama esquemático desse tipo de cenário. 53

57 Figura 4: Cenário típico para número pequeno de usuários Nesse exemplo as chamadas locais são feitas através do sistema tradicional de telefonia (via PABX e operadoras locais PSTNs), e as chamadas de longa distância são preferencialmente feitas por meio dos equipamentos gateways VoIP. A função do gateway VoIP é conectar terminais telefônicos comuns, codificar os sinais de voz recebidos desses terminais, empacotá-los em frames IP e transmiti-los pela rede de dados (e vice-versa). Como são completamente isolados, nenhuma comunicação é possível entre os terminais telefônicos conectados aos gateways VoIP e os terminais conectados aos PABX s. A conexão dos terminais telefônicos ao gateway VoIP se dá por meio de interfaces FXS (Foreign Exchange Station), as quais geram tons de discagem para os terminais. A execução de uma chamada pode ser feita discando-se o número de um ramal remoto, ou simplesmente levantando-se o fone do gancho em um dos terminais (dependendo do equipamento é possível configurar uma ou outra forma, mas não as duas simultaneamente). A vantagem desse cenário é que é tão simples que pode ser usado mesmo em empresas que não possuem equipamentos PABX em seus escritórios. Na figura 5 vê-se uma evolução do cenário anterior, onde agora é possível que terminais telefônicos conectados tanto ao PABX como ao gateway VoIP originem e recebam chamadas de/para qualquer outro terminal da empresa. Tipicamente, um usuário localizado no Escritório 1 que deseja fazer uma chamada de longa distância para um ramal localizado no Escritório 2 só precisará discar um código de acesso previamente configurado, seguido do número do ramal remoto. Uma nova possibilidade que se abre neste cenário é a de se originar chamadas de longa distância para assinantes localizados fora da empresa: se um usuário localizado no Escritório 1 (cidade A ) desejar fazer uma chamada de longa distância para um assinante qualquer na cidade B, tudo que precisará fazer é discar um código de acesso para obter uma linha do PABX do Escritório B, e em seguida discar o numero do assinante externo na cidade B. Esse tipo de operação também é conhecido como TOLL bypass. 54

58 Figura 5: Integrando VoIP com a telefonia tradicional A conexão do gateway VoIP ao PABX pode se dar através de interfaces FXO (Foreign Exchange Office) ou E1. A primeira é usada para conexão a portas comuns (analógicas) de ramal do PABX. Para o PABX, o gateway VoIP aparenta ser um terminal telefônico analógico como outro qualquer. A desvantagem do uso de portas FXO é que se faz necessário uma quantidade suficiente de portas FXO no gateway VoIP que permita atender o número desejado de chamadas VoIP simultâneas, já que cada interface FXO transporta somente uma chamada de cada vez. A vantagem é a simplicidade e o custo, já que normalmente todo PABX tem algumas portas de ramal livres e que podem ser aproveitadas para conectar a um gateway VoIP. Por outro lado, usando uma interface E1 para conectar o gateway VoIP ao PABX, podem ser suportadas até 30 chamadas VoIP simultâneas. A desvantagem é o custo, pois interfaces E1 são significativamente mais caras que interfaces FXO. Além disso, nem todo PABX suporta interfaces E1, e mesmo que a empresa tenha PABX s que suportem, ela precisa garantir que eles possuam pelo menos uma interface E1 livre. Qualquer projeto de VoIP deve ser precedido de uma análise de viabilidade técnica e de ROI (Return On Investment). Através dele, a empresa consegue prever se sua infraestrutura está preparada e calcular em quanto tempo o investimento feito para a implementação do projeto de VoIP será compensado pela economia advinda da redução ou eliminação de pagamentos de DDD. Apresenta-se a seguir um exemplo para uma empresa hipotética, como a apresentada na figura 5, citada anteriormente. Essa empresa decide investir em dois gateways VoIP com 2 interfaces FXO cada um, ao custo unitário de R$ 1.050,00, totalizando R$ 2.100,00, e mais R$ 1.600,00 de serviços de instalação. O investimento total seria de R$ 3.700,00. Em quanto tempo esse investimento se pagaria? 55

59 ITEM DESCRIÇÃO CUSTO 1 A empresa possui um link ADSL de 256kbit/s em cada escritório para conexão com a Internet através de provedores locais. Cada link tem uma taxa média de 70% de utilização nas horas de pico. O custo mensal de cada link é de: R$ 500,00 2 Valor total mensal da conta telefônica do Escritório 1: 3 Valor total mensal da conta telefônica do Escritório 2: 4 Custo total de telefonia da empresa = (2) + (3): 5 Custo mensal dos serviços de DDD do Escritório 1: 6 Chamadas da cidade A para B representam 60% desse total 7 Custo mensal dos serviços de DDD do Escritório 2: 8 Chamadas da cidade B para A representam 60% desse total 9 Custo total de telefonia da empresa = (2) + (3): 10 Como se trata de ADSL assume-se que a banda útil seja de 128 kbit/s R$ 5.000,00 R$ 4.000,00 R$ 9.000,00 R$ 3.000,00 R$ 1.800,00 R$ 2.500,00 R$ 1.500,00 R$ 3.300,00 Tabela 5: Dados atuais do sistema de telefonia corporativa Com 2 interfaces FXO em cada escritório a empresa poderia ter no máximo duas chamadas simultâneas entre as cidades A e B utilizando VoIP. Como premissa de projeto assumiu-se que os gateways VoIP serão configurados com CODEC G.729 e que o payload será ajustado para 10 bytes, o que resulta numa banda de 16 kbit/s para cada chamada (ou seja, 32 kbit/s para duas chamadas simultâneas). Como a taxa de utilização de cada link é de 70%, sobram 38 kbit/s (=128 kbit/s x 30%) para uso por VoIP. Supondo ainda que, devido a congestionamentos e outros problemas, em média apenas 50% das chamadas entre A e B consigam ser completadas via VoIP, obrigando as chamadas restantes (50%) a utilizarem ainda a PSTN. Então nesse caso a economia máxima mensal seria de apenas 50% x R$ 3.300,00 = R$ 1.650,00. Rateando o custo mensal dos links ADSL para uso com VoIP, o que implica deduzir da economia mensal 30% do valor pago pelos links ADSL (ou seja, R$ 1.650,00 30% x R$ 1.000,00), valor efetivo da economia mensal será de R$ 1.350,00. Isso equivale a uma economia de 15% sobre os custos mensais totais de telefonia desta empresa. Em um ano a economia seria de 12 x R$ 1.350,00 = R$ ,00. 56

60 Supondo que o custo do capital para esta empresa seja de 2,5% a.m., o investimento inicial de R$3.700,00 estaria pago ao final de 3 meses com a economia gerada [ =VF(0,025, 3, 1350, 3700) ]. O exemplo acima, apesar das hipóteses assumidas, pode ser considerado bem próximo da realidade. Um gateway VoIP de boa qualidade com suporte a CODEC G.729 e dotado de 2 interfaces FXO pode ser adquirido no mercado nacional a um custo inferior a US$ 350,00. Neste tutorial procurou-se apresentar uma visão geral sobre o framework VoIP, discorrendo sobre os principais padrões e protocolos que o compõem, e sobre os aspectos práticos de sua implementação, visando demonstrar de que maneira as empresas podem obter proveito dele para reduzir seus custos de telefonia. Demonstrou-se que, dependendo do caso, essa economia pode chegar a valores bastante significativos. Além disso, o exemplo apresentado de estudo de ROI pode ser adaptado e servir de ponto de partida para justificar investimentos em VoIP por uma empresa. Como observação final vale a pena ressaltar que a legislação brasileira atual (assim como a norte-americana) ainda não faz referência a tecnologia VoIP. Contudo, no Brasil as empresas estão proibidas de usarem um modelo de negócio onde vendam serviços de telecomunicações para terceiros por meio de VoIP sem a devida concessão, onde as chamadas sejam iniciadas e terminadas simultaneamente na rede pública (PSTN) [MELCHIOR04]. Utilizando Voz sobre IP É a tecnologia que utiliza links de dados para trafegar ligações telefônicas. Tem como objetivo transportar a voz com qualidade de um ponto a outro, através de um link de dados, economizando recursos da empresa. Inconvenientes das redes separadas: - Grandes despesas com: Discagens locais e interurbanas e Pagamento de links subutilizados; 57

61 - Penoso gerenciamento e manutenção de redes separadas; - Dificuldades para expansão e modificação da estrutura da rede. Crescimento da taxa de minutos usados pela telefonia IP no mundo > 310 milhões de minutos > 2,7 bilhões de minutos Estimativas para > 135 bilhões de minutos (US$ 20 bilhões) Benefícios do VoIP Ligação telefônica a custo zero; Envio e recebimento de Fax a custo zero; Integra-se a central PABX da empresa; Uso de uma única infra-estrutura para prover serviços de link de dados e telefonia; Não requer hardware adicional nem aparelhos telefônicos especiais. 58

62 Tipos de Links para VoIP - Links dedicados PPP ou Frame Relay, com CIR devidamente dimensionado para o consumo total de telefonia e ainda o tráfego de dados. - ADSL/Cabo Modem só podem ser utilizados se forem empresariais. Requisitos da LAN Atender aos padrões Ethernet (com velocidade de 10/100 Mbps) Suportar o protocolo TCP/IP Aceitar um endereço de Gateway Um endereço IP fixo (Livre) para o equipamento de voz sobre IP Requisitos de Conexão Utilização de banda: 10 a 12 Kbps/ligação Utilização máxima: 2, 4 ou 8 ligações, dependendo do equipamento VoIP 59

63 Garantir ao menos 25% além da banda de telefonia para compensar variações do link Quanto mais estável o link, melhor Deve-se considerar o tráfego de dados (WAN, Internet) no link, analisar o uso e somar o consumo máximo de telefonia. Módulos para gateway de VoIP Os módulos para conexão dos gateways de VoIP ao sistema telefônico das operadoras ou a estrutura de um PABX, promovem a esta ligação através de interfaces denominadas FXS, FXO e TDM. Os módulos FXS e FXO conectam a gateway VoIP aos sistema telefônico tradicional por meios de linhas analógicas. Com eles pode-se configurar pequenas quantidades de canais entre a rede VoIP e a rede telefônica de ramais (PABX) ou da operadora local. FXS (Foreign Exchange Subscriber): Usado para conexão direta de aparelhos telefônicos, fax ou para prover entradas de troncos (analógicos) de centrais telefônicas. FXO (Foreing Exchange Office): Usado para conexão de ramais telefônicos (analógicos) provenientes de qualquer modelo de central PABX, possibilitando a realização de ponte telefônica. Os módulos TDM interconectam o gateway VoIP a telefonia tradicional via conexão digital (PCM) no Brasil como se utiliza o padrão PCM europeu de 30 canais (E1) estes módulos devem atender a esta configuração, além de permitirem a sinalização EeM para a conexão e desconexão dos canais digitais. Cada modulo TDM pode oferecer 30 canais digitais o que permite criar redes de conexão com uma grande quantidade de troncos. Veja abaixo algumas configurações possíveis: 60

64 Utilizando Módulos FXS Utilizando módulos FXO 61

65 Utilizando módulos TDM (E1) M (E1) TD (E1) TDM M (E1) TD Dispositivos VoIP ATA Adaptador de terminal Analógico Permite a conexão de telefones analógicos ao link de dados provendo conexão VoIP. Possui portas FXO e FXS para a conexão dos dispositivos e do equipamento de rede 62

66 ou Internet. Através deste dispositivos varias empresas promovem a venda de minutos VoIP para ligações DDD e DDI. ATA da Digitro Ata HTGrandstream Softfone É um software que permite a uma estação de trabalho simular um aparelho telefônico e realizar chamadas VoIP. Para a conversação são utilizados as caixas de som e microfone do PC ou um headset. 63

67 Hardfone É um aparelho telefônico para conexão ao PC que permite substituir um softfone na realização de chamadas VoIP. 64

68 CAPÍTULO 5: O PBX Asterisk O Asterisk é um software de PBX 1 (Private Branch exchange) híbrido com licença GPL(General Public Licence) que integra tecnologias como TDM (Multiplexação por Divisão de Tempo), telefonia IP e IVR (Resposta Interativa por Voz) com funcionalidade DAC (Distribuição Automática de Chamadas). Esse software roda em plataforma Linux, podendo também funcionar em outros sistemas operacionais como o Windows, FreeBSD e outros, porém com recursos limitados. A Digium é a empresa criadora e desenvolvedora primária do Asterisk, sendo Mark Spencer seu criador e principal mantenedor. Essa empresa além de investir no desenvolvimento do código fonte do Asterisk, fabrica hardwares de telefonia de baixo custo que funciona em conjunto. O Asterisk é uma plataforma completa de telecomunicações. Ele é muito mais que um PABX comum, pois permite uma conectividade em tempo real entre as redes PSTN e redes VoIP. Além de possuir as mesmas características de um PABX, ele possui uma série de recursos adicionais como: Possibilidade de conectar empregados trabalhando de casa para o PABX da empresa, através de conexões banda larga; Correio de voz enviado por no formato mp3 (MPEG-1/2 Audio Layer 3) ; Música em espera para clientes esperando em filas, suportando música em mp3; Filas de chamadas onde agentes de forma conjunta atendem e as chamadas e monitoram a fila; Salas de conferência, onde varias pessoas podem falar simultaneamente; Identificação do numero chamador; Siga-me; URA - Resposta Interativa por Voz permitindo navegar usando reconhecimento de voz ou teclado do telefone; DAC - Entrega automática de chamadas; 1 PBX (Private Branch exchange) é um centro de distribuição telefônica pertencente a uma empresa que não inclua na sua atividade o fornecimento de serviços telefônicos ao público em geral. 65

69 Gerência de filas de chamadas (queue); Direcionamento de chamadas; Billing (Sistema de bihetagem); Gravar conversas ou conferências; FAX over IP; O Asterisk usa a CPU do servidor para processar os canais de voz, ao invés de ter um DSP (processador de sinais digitais) dedicado aos canais de voz. Isso permitiu uma redução de custos, porém o sistema fica muito dependente da performance da CPU, para atenuar esse problema deve-se optar por uma máquina servidora dedicada. Ele foi projetado para permitir a adição de novas interfaces e tecnologias de maneira simples. As principais interfaces são divididas em: hardware Zaptel e Não-Zaptel. A diferença entre eles está na capacidade de realizar conferências, pois somente os Zaptel oferecem esse serviço. Segue abaixo alguns modelos de hardwares: T410P (Zaptel) - Placa E1/T1(Padrão de telefonia Europeu/Americano) com 4 portas PCI (Peripheral Component Interconnect) 3.3 volts; E110P (Zaptel) Placa com E1/T1 com 1 porta; TDM400P (Zaptel) Placa com 4 portas para telefones analógicos e ADSI (Analog Display Service Interface); T405P (Zaptel) Placa E1/T1 com 4 portas (PCI 5 volts); ISDN4Linux É um driver antigo para placas ISDN BRI (Basic Rate Interface), acesso básico; ISDN CAPI É outra forma de suportar as placas ISDN BRI no Linux. Voicetronix Possui placas com maior densidade de canais FXS (Foreing Exchange Station) e FXO (Foreing Exchange Office). A figura 4.1 mostra algumas dessas placas: Placas Digium / Fonte: 66

70 Para poder alocar várias chamadas o Asterisk utiliza CODECs (Coder/Decoder), que são responsáveis pela compressão dos dados, reduzindo a utilização da banda passante. Existem vários modelos suportados, como o G.729 que permite codificar a 8 Kbps, a uma compressão de 8/1. O Asterisk é responsável por intermediar a conversação entre CODECs variados, ficando totalmente imperceptível para o usuário final, o tipo de CODEC que está sendo usado em cada terminal. Abaixo podemos ver alguns CODECs suportados: G.711 (64Kbps) G (5,3-6 Kbps) G.726 (32 Kbps) G.729 (8 Kbps) GSM (Global System for Mobile Communications) (12-13 Kbps) ilbc (Internet Low Bitrate Codec) (15 Kbps) LPC (Linear Predictive Coding) ( Kbps) Speex (Speech codec) ( Kbps) Todos os CODECs apresentados são de licença Open Source, com exceção do G.729 que necessita de licença comercial, e somente pode ser usado gratuitamente para uso educacional. O G.711, GSM e G.729 possuem melhor desempenho, os outros têm qualidade inferior ou consomem muita CPU. Para estabelecer conexões entre um telefone e outro, é preciso um protocolo de sinalização, onde este irá determinar o ponto de destino e também questões relacionadas à sinalização de telefonia como campainha, identificador da chamada, desconexão, etc. O Asterisk funciona como um gateway de mídia fazendo a comunicação entre variados protocolos. Os principais protocolos utilizados são: SIP Pode ser usado na rede local (LAN). É o protocolo padrão de fato para telefonia IP no momento, porém tem problemas no uso do NAT (Network Address Translation), pois, o uso da banda com RTP (Real-time Transport Protocol) é alto; IAX (Inter Asterisk Exchange)v1 e v2 Protocolo proprietário do Asterisk. Ele é eficiente em banda passante e pode passar facilmente por firewalls com NAT. É mais usado para interligar dois ou mais Asterisks (WAN - Internet). H323 É um dos protocolos VoIP mais antigos, usado em muitas implementações. É excelente para videoconferência, mas é complexo e pouco adotado em telefonia IP. MGCP (Media Gateway Control Protocol) Este protocolo foi feito para ser usado em conjunto com H.323, SIP, IAX. Sua grande vantagem é a escalabilidade. Possui gerenciamento centralizado, mas ainda é pouco adotado. 67

71 Existem vários cenários de uso do Asterisk, um dos mais simples consiste em conectá-lo a uma rede LAN provendo a substituição ou acrescentando novos ramais ao sistema telefônico já existente na empresa. Outra possibilidade é o uso do Asterisk para conexão via Internet ao sistema telefônico fixo e celular via uma operadora VoIP. Para este modelo é necessária a compra de minutos de ligação junto a operadora. 68

72 A interligação do Asterisk ao sistema telefônico de uma operadora de telecomunicações ou um PABX usando interfaces analógicas ou digitais por ser realizado utilizando-se basicamente dois tipos de placas: a FXO (Foreign exchange Office) utilizada para interligar linhas analógicas de centrais (PABX ou Pública) e a FXS (Foreign exchange Station) que pode receber telefones analógicos, secretária eletrônica, máquina de fax e tronos de PABX. 69

73 Atualmente é comum encontrarmos softswitches, que são PCs que têm a função de comutar os circuitos de telefonia VoIP. No caso do Asterisk, ele faz estas funções de forma integrada, o licenciamento é gratuito e pode ser feito em um ou mais servidores, de acordo com a necessidade. Na figura 4.2 apresenta esse cenário com uso do Asterisk: Uso do Asterisk como softswitch O Asterisk possui uma funcionalidade de gateway de media, podendo converter sinais analógicos (FXS e FXO) ou digitais (ISDN) vindos da central telefônica ou de telefones IP, e transmiti-los pela rede corporativa de dados eliminando os custos de ligações de longa distância entre as filiais. Para isso cada filial deverá ter um Asterisk, onde este se comunica com o outro através do IAX. A figura 4.3 ilustra esse ambiente: 70

74 Ambiente em empresa de médio porte em uma mesma cidade A interface de gerenciamento permite ao programador se conectar ao Asterisk e emitir comandos, ou ler eventos de PABX usando a interface sockets do TCP/IP. A AGI (Asterisk Gateway Interface) serve para adicionar funcionalidade ao Asterisk com muitas linguagens de programação diferentes como Perl ( Extraction and Report Language), PHP (Hypertext Processor), Pascal ( Linguagem de programação extruturada), Shell (Interpretador de comandos), Java (Linguagem de programação orientada a objeto). Instalação do Asterisk A instalação do Asterisk requer alguns cuidados como: hardware mínimo necessário, sistema operacional adequado, ordem de instalação dos módulos e configuração básica. O hardware mínimo necessário deverá ser um computador com clock de processador superior a 300 Mhz e 256 Mb de RAM. Apesar dele funcionar em quase todas as distribuições Linux, é mais recomendável instalá-lo em arquiteturas mais robustas como Suse, Mandrake, Slackware, Red Hat, CentOs, etc. A versão mais atual é a 1.2, e pode ser baixada no site: Os módulos a serem copiados são: Zaptel, Libpri, Asterisk, Addons e Sounds. Todos devem ficar na mesma pasta. Antes de instalá-los deverá ser verificado se as seguintes bibliotecas estão instaladas: ncurses, e o -devel referente openssl, e o -devel referente zlib, e o -devel referente bison, e o -devel referente 71

75 Após a verificação deverá ser feita a instalação e a compilação dos módulos. Primeiramente é necessário acessar a pasta Zaptel e executar os comandos: make clean e make install. Se os serviços de conferência ou música em espera estiverem nos planos, também deverá ser compilado o módulo ztdummy. Em seguida, executam-se os comandos make clean e make install na pasta Libpri e na pasta Asterisk e executam-se os mesmos comandos com a adição do make samples para a instalação de exemplos de configuração. A aplicação destes comandos (make clean e make install) deve ser realizada também nas pastas Asterisk-Addons e Asterisk-sound finalizando o processo de instalação. Depois de instalado, executam-se os comandos: asterisk vvvc para iniciar e stop now para interromper a aplicação; ambos localizados na pasta /usr/bin/. O console de um processo do Asterisk pode ser acessado a qualquer tempo. Existem muitos parâmetros que podem ser usados para configuração e monitoramento. Os principais são indicados na tabela 4.1. Tabela 4.1 Parâmetros usados no Asterisk Fonte: o Autor COMANDO FUNÇÃO -h É o help, mostra as opções de parâmetros que podem ser utilizados. -C <configfile> Inicia o Asterisk com o arquivo de configuração diferente do padrão. -f Inicia o Asterisk, mas não coloca um processo em background. -c Habilita o modo de console, iniciando o Asterisk em foreground (na frente). -r Conecta a uma instancia do Asterisk já iniciada. -n Desabilita a cor do console. -i Pede pelos códigos criptográficos de inicialização. -p Roda como prioridade em tempo real. -q Modo silencioso, suprime as mensagens. -v Inclui mensagens detalhadas. -d Habilita debug extra em todos os módulos. -g Faz com que o Asterisk descarregue o núcleo em caso de segment violation. -x<cmd> Executa o comando <cmd>(válido apenas com r). Executar o comando de inicialização do Asterisk não é o suficiente para fazê-lo funcionar adequadamente, para que isso ocorra é necessário que sejam programados os arquivos de configuração. 72

76 Configuração básica do Asterisk Existem vários arquivos que controlam o Asterisk, e todos eles possuem a extensão.conf e estão localizados na pasta /etc/asterisk. Esses arquivos são responsáveis pela configuração de hardware, telefones SIP, plano de discagem, envio e recebimento de chamadas. Os arquivos de configuração são mostrados na tabela 4.2: ARQUIVO asterisk.conf extensions.conf sip.conf oh323.conf zapata.conf musiconhold.conf cdr_mysql.conf IAX.conf logger.conf agents.conf enum.conf modules.conf queues.conf RTP.conf voic meetme.conf Tabela 4.2 Arquivos de configuração do Asterisk. FUNÇÃO Responsável pela configuração dos diretórios para os componentes. Caso algum caminho de instalação seja especificado durante a compilação, será escrita neste arquivo. Responsável pelo plano de controle e fluxo de execução das chamadas. Contém as regras de discagem. Os componentes são conhecidos como contextos Possui informações referentes as configurações SIP do Asterisk. Ele registra e cadastra os clientes SIP que se registrarão no servidor local, e em servidores remotos. Arquivo de configuração para utilização de H.323 do pacote asteriskoh323. Ele pode cadastrar como um gatekeeper. Esse módulo não é compatível com o H.323 que originalmente acompanha o Asterisk. Possui configurações referentes a interfaces que utilizem o driver zaptel (como as das placas Digium). Define o protocolo PRI utilizado: EuroISDN, DMS100, National ISDN, Lucent 5ESS, etc. É responsável pela configuração das músicas de espera. Podem ser configuradas várias classes de músicas e suporta diferentes tipos de áudio, desde que exista uma aplicação compatível. Arquivo que contém a configuração a ser aplicada a sistema de CDR para gravar as informações em uma base de dados MySQL Usado para configurar clientes que usam Inter-Asterisk Exchange protocol Geralmente utilizado para interconectar servidores Asterisk Responsável pela configuração dos logs do Asterisk. Possui vários níveis de log. Pode ser configurado para enviar logs para a tela ou arquivos Usado para as configurações referentes aos agentes usados nas filas configuradas no arquivo queues.conf Usado para configurações de ENUM. Pode ser usado para configurar o Asterisk para acessar primeiro um endereço via ENUM para depois via PSTN Configura quais módulos devem ou não ser carregados quando o Asterisk é iniciado. Um módulo pode ser carregado também CLI, através dos comando load Arquivo responsável pela configuração das filas de entrada Configuração do RTP (Real Time Protocol) para o Asterisk. Ele limita as portas a serem usadas, e é útil para configuração de firewalls Configura Voice Mail Responsável pela configuração das conferências. Podem haver senhas nas conferências. 73

77 Todos esses arquivos complementam a configuração do Asterisk incluindo funcionalidades, extensões ou serviços. Para que o Asterisk funcione de forma básica, é necessário que sejam configurado os arquivos sip.conf, extension.conf e zaptel.conf. O arquivo sip.conf, como descrito na tabela 4.2, possui informações referentes as configurações SIP do Asterisk, contendo parâmetros relacionados à configuração dos telefones e operadoras SIP. Todos os clientes devem estar previamente configurados para poderem fazer e receber chamadas. Este arquivo é lido de cima para baixo e sua primeira seção contém as opções gerais, sendo identificada como: [general] e as seguintes são os nomes dos clientes, sempre entre colchetes. A tabela 4.3 mostra as variáveis que implementam a seção [general]: Tabela 4.3 Variáveis da seção [general] Fonte: o Autor VARIÁVEL Allow Bindaddr Context Disallow Port Tos maxexpirey defaultexpirey Register DESCRIÇÃO Permite que um determinado codec seja usado. Endereço IP onde o Asterisk irá esperar pelas conexões SIP. O comportamento padrão é esperar em todas as interfaces e endereços secundários. Configura o contexto padrão onde todos os clientes serão colocados. Proíbe um determinado codec. Porta que o Asterisk deve esperar por conexões de entrada SIP. O padrão é Configura o campo TOS (tipo de serviço) usado para SIP e RTP. Tempo Maximo para registro em segundos. Tempo padrão para registro em segundos. Registra o Asterisk com outro host. As definições das entidades padrão SIP vêm após a seção [general], cujas variáveis são exibidas na tabela 4.4: Tabela 4.4 Variáveis de configuração das entidades SIP. Fonte: o Autor VARIÁVEL Type Host username Secret DESCRIÇÃO Configura a classe de conexão. A variável do tipo peer recebe chamadas, do tipo user faz chamadas e do tipo friend faz os dois ao mesmo tempo. Configura o endereço IP ou nome do host. A opção mais comum é dynamic. Essa opção espera que o telefone se registre. Esta opção configura o nome do usuário que o Asterisk tenta conectar quando uma chamada é recebida. Um segredo compartilhado para autenticar os peers e users. 74

78 A figura 4.4 mostra um exemplo de configuração do arquivo sip.conf: Figura 4.4 Exemplo de configuração do sip.conf. Fonte: Gonçalves (2005). O arquivo extensions.conf é responsável pelo plano de controle e fluxo de execução das chamadas. Este arquivo é dividido em quatro seções: contexto, extensão, prioridade e aplicações. Os contextos têm um papel importante na organização e segurança do plano de discagem. Eles estão diretamente ligados aos canais. Pode-se definir mais de um contexto quando se deseja atribuir permissões de discagens diferenciadas. Os contextos recebem o seu nome dentro de colchetes, por exemplo: [novo_contexto]. Todas as instruções colocadas após ele são partes do contexto. As variáveis estão localizadas no contexto [Globals], e podem ser usadas por todo o plano de discagem. Dentro de cada contexto são definidas diversas extensões. São elas que determinam o fluxo das chamadas. No Asterisk ela é uma string que dispara um evento. O comando exten=> é seguido pelo número da extensão, prioridade e aplicação. Prioridades são passos numerados na execução de cada extensão. 75

79 Aplicações são partes fundamentais do Asterisk, elas tratam o canal de voz, tocando sons, aceitando dígitos ou desligando uma chamada. As principais aplicações são: Aswer(): responde um canal que está tocando; Dial(): Disca para um ramal ou extensão Playback(): Toca um arquivo de som previamente gravado; Hangup(): Desliga um canal ativo; Goto(): Pula para um contexto específico. O extenions.conf aceita uma série de variáveis que servem de argumento para os comandos. Um exemplo de configuração do extensions.conf pode ser visto na figura 4.5: Figura 4.5 Exemplo simples do extensions.conf Fonte: Gonçalves (2005). Para implementar o sistema de VoIP através do Asterisk pode ser utilizado o softfone da Lucent chamado X-Lite, cuja interface pode ser visto abaixo. Sua configuração é muito simples e oferece 3 tipos de codec. 76

80 Provedores de VoIP: TAHO, Sistema IP, Lig VoIP, Onda VoIP, NET Brás, Telefonia, VoIP Nordeste, etc... O Asterisk não é o único software para a implementação de Telefonia IP. Veja abaixo outros programas para realizam um pouco do que a plataforma Asterisk fornece. VOVIDA NETWORK VOCAL SIP EXPRESS ROUTER (SER) PBX4LINUX OPENPBX VOICETRONICS Para mais informações sobre a tecnologia do Asterisk acesse os link:

81 CAPÍTULO 6: Redes de Nova Geração NGN Plataformas de Telecomunicações para Prestação de Serviços Convergentes de Telefonia IP Desafios da NGN CONVERGIR TODAS AS APLICAÇÕES MULTIMÍDIAS EM APENAS UMA REDE; SUPORTAR A DEMANDA DO SURGIMENTO DE NOVOS SERVIÇOS DE MULTIMÍDIA; CENTRALIZAR TODOS SERVIÇOS DIGITAIS, COM QUALIDADE DE VOZ, VÍDEO E TRÁFEGO DE DADOS DE FORMA INTEGRADA; Vantagens da NGN EXISTE UM NOVO LEQUE DE APLICAÇÕES PRINCIPALMENTE NA ÁREA DE MULTIMÍDIA; REDUÇÕES DOS CUSTOS DE EQUIPAMENTOS; MANUTENÇÃO MAIS SIMPLIFICADA, REDUZINDO O CUSTO; NOVOS SERVIÇOS PROVIDOS PELAS OPERADORAS; OTIMIZAÇÃO DE RECURSO PARA TELEFONIA E DADOS; AUMENTO DA EFICIÊNCIA DOS EQUIPAMENTOS; REDUÇÃO DE CUSTOS EM TELEFONIA FIXA DDD E DDI; NOVAS OPORTUNIDADES DE ESTUDOS E EMPREGOS PARA SUPORTAR ESTE NOVO CONCEITO. Normalmente os sistemas telefônicos são construídos a partir de uma única plataforma, onde esta é responsável por prover as funções de acesso, comutação, serviços, transmissão. O paradigma all over IP, quando aplicado a telefonia, permite a introdução de um modelo de comutação totalmente novo, que aproveita os conceitos da informação distribuída. A NGN (Next Generation Networking - Redes de nova geração) é uma nova concepção de rede de telecomunicações que distribui os elementos de controle e acesso através de um ambiente IP. A Rede NGN foi proposta em meados de 2004 pelo ITU-T em suas recomendações Y.2001 e Y Na NGN a função de transporte é realizada por uma rede IP e o protocolo SIP (IETF) deve ser utilizado no controle de sessões. Portanto, para o ITU-T a NGN é a plataforma oficial de convergência de redes. 78

82 Evolução da rede telefônica para NGN Os media gateway formam a camada de acesso e controlam os terminais dos usuários de telefonia sejam fixos, móveis ou IP O media gateway controller ou softswitch é o responsável por realizar a gerencia dos medias gateway provendo o controle de todo o sistema, ele comanda as funções de comutação, tarifação, sinalização, etc A camada de aplicação prove aos usuários os serviços demandados, como por exemplo: Internet, VoIP, SMS, Correio de voz, Música, IPTV, VOD, etc 79

83 80

84 Atendimento aos Requisitos de SD Acesso a recursos Transparência Abertura (TCP/IP, SIP, RTP) Escalabilidade Organização lógica baseada em eventos Organização física baseada em camada no estilo cliente/servidor 81

85 82

86 83

87 Os sistemas distribuídos formam a base das redes convergentes. A redundância em redes NGN pode ser executada facilmente através de Cluster. 84