QOS SOBRE REDES DE PACOTES UTILIZANDO H.323

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1 QOS SOBRE REDES DE PACOTES UTILIZANDO H.323 Aluno: Ricardo dos Santos Alves de Souza Professor: Otto Carlos Muniz Bandeira Duarte Abril de 2004 DEL 1

2 ÍNDICE Resumo Introdução Redes de Pacotes Qualidade de Serviço Padrão H Necessidade de QoS Problemas encontrados em Redes IP Aplicações Características do H Parâmetros de medida de QoS Formas de se garantir QoS Arquitetura do H Características do Terminal H Características do Gatekeeper H Protocolos definidos pelo Padrão Conclusão Referências Questões

3 RESUMO A popularização da Internet e as novas necessidades dos usuários têm determinado que as redes de pacotes, principalmente as redes IP, passem a suportar tráfego de dados que não foram originalmente planejados. Para que estas mudanças sejam possíveis, diversos estudos nas áreas de redes, compactação de dados e comunicação estão sendo realizados pelo mundo afora. Um dos frutos desse empenho é a elaboração do padrão H.323, que faz parte de uma família de padrões recomendados pelo International Telecommunication Union Standardization Sector (ITU) para especificação de sistemas de comunicação estruturados sobre redes de pacotes e com foco em aplicações multimídia. 3

4 1 INTRODUÇÃO O documento que se segue tem por objetivo apresentar o padrão de comunicação de dados sobre redes de pacotes nomeado H.323. A principal característica do padrão é possibilitar que aplicações multimídia, de um ou vários fabricantes, funcionem satisfatoriamente e possam interagir levando em conta as dificuldades de se submeter aplicações do gênero em redes comutadas por pacotes. 1.1 REDES DE PACOTES A utilização de redes de comutação de pacotes explodiu com o advento da Internet. A principal característica que explica a escolha desse tipo de rede para implementação da rede mundial de computadores é o melhor aproveitamento dos recursos da rede para os tipos de aplicação utilizados com maior freqüência até hoje na Internet: troca de mensagens, arquivos e acesso a páginas textuais. As aplicações citadas, assim como muitas outras, geram um tráfego de rede em rajadas, onde o meio passa boa parte do tempo ocioso e o tempo de entrega não é em tempo real. As redes de pacotes partem dessas características para trabalhar com recursos físicos não dedicados e, assim, melhorar o compartilhamento dos recursos da rede aumentando a eficiência na sua utilização. Nos últimos anos, no entanto, a popularização da Internet e o enorme crescimento de sua infra-estrutura determinaram a utilização das redes de pacotes como meio de integrar diferentes modos de comunicação. 1.2 QUALIDADE DE SERVIÇO Podemos analisar qualidade de serviço em aplicações multimídia com dois focos distintos. Primeiramente podemos observar as expectativas do usuário em relação à aplicação em uso. Dessa forma levamos em conta atributos como tempo de resposta à interação, fidelidade de som e imagem e continuidade, entre outros. Por outro lado, podemos observar as necessidades de rede impostas pelas aplicações para que funcionem e atendam às expectativas do usuário. Com esse foco, são observados atributos como atraso na entrega dos dados e perdas de informação. 4

5 Podemos dizer então quer garantir Qualidade de Serviço é garantir que o conjunto mínimo de atributos indispensáveis para o funcionamento de uma aplicação seja atendido. 1.3 PADRÃO H.323 O padrão H.323 faz parte de uma família de padrões recomendados pelo International Telecommunication Union Standardization Sector (ITU-T) para especificação de sistemas de comunicação estruturados sobre redes de pacotes e com foco em aplicações multimídia. O padrão estabelece a utilização de uma série de outros padrões e protocolos que em conjunto possibilitam que redes de pacotes suportem aplicações com alta demanda por banda e que necessitem de qualidade de serviço para serem viáveis. Dentre os diferentes tipos de protocolos especificados pelo H.323 destacam-se os protocolos que visam obter compressão de dados e outros que visam garantir entrega de pacotes com o menor tempo de atraso. Além de possibilitar garantias de qualidade de serviço em redes de pacotes, o padrão permite que aplicações de diferentes fabricantes e tecnologias interajam de forma transparente. 2 NECESSIDADE DE QOS Como foi visto, a tecnologia de comutação de pacotes, na qual se baseiam as redes IP, possui algumas características que são decorrentes de sua arquitetura, e que não são encontradas no modelo de comutação de circuitos utilizado pelas redes telefônicas. Para que aplicações de mídia contínua em tempo real possam trafegar por redes IP é necessário identificar e contornar as limitações que a rede impõe para o funcionamento dessas aplicações. 2.1 PROBLEMAS ENCONTRADOS EM REDES IP Atualmente as redes IP utilizadas na Internet oferecem um serviço de entrega de pacotes chamado de "melhor esforço", que não oferece garantias de desempenho para as aplicações que dela se utilizam. Problemas como perda de pacotes em trânsito e atraso não são tão sentidos pelas aplicações tradicionais, que na maioria exigem mais confiabilidade, sendo esta garantida através do uso do protocolo de transporte como, por exemplo, o TCP. 5

6 Ao contrário do tráfego exigido pelas tradicionais aplicações da Internet, o tráfego demandado pela comunicação de voz, vídeo e outras aplicações multimídia exige da rede uma maior capacidade de recursos disponíveis para atendimento aos terminais, visto que os dados transmitidos são contínuos, extensos e precisam atingir seu destino em curto espaço de tempo para que sejam compreendidos. Para esse tipo de utilização as redes de comutação de circuitos têm se mostrado bastante eficientes pela forma como a arquitetura trabalha com dedicação dos recursos entre os terminais enquanto durar a comunicação. Redes IP não prevêem dedicação de recursos entre terminais e por isso fica mais complicado garantir Qualidade de Serviço a custos aceitáveis para dar suporte às novas necessidades. Mais precisamente, a grande dificuldade tem sido fazer com que uma rede projetada para trabalhar com tráfego descontínuo passe agora a trabalhar com tráfego contínuo. 2.2 APLICAÇÕES Com o avanço da tecnologia, popularização dos computadores e globalização, algumas aplicações antes só vistas em filmes passaram a ser de desejo de muitos. Dentre estas destacam-se as aplicações multimídia como videoconferência, telemedicina, transmissão interativa de TV e telefonia IP. O grau de exigência da rede dessas aplicações mais avançadas depende diretamente do tipo da aplicação. Como exemplo, podemos citar as aplicações de vídeo interativas onde o tempo máximo para o atraso fim-a-fim e a perda de pacotes são fundamentais. Já aplicações de vídeo não interativas toleram uma pequena taxa de perda de pacotes e alguma variação de atraso fim-a-fim. Dentre as aplicações multimídia citadas, as que têm se tornado mais comum e exigem maiores cuidados são as que trabalham com comunicação de voz. Neste tipo de comunicação é essencial que os dados alcancem seu destino em curto espaço, sejam apresentados ordenadamente e sem falhas, sob o risco de não serem compreendidos caso algum desses atributos não seja respeitado. 3 CARACTERÍSTICAS DO H PARÂMETROS DE MEDIDA DE QOS 6

7 A qualidade do serviço (QoS) exigida pelas aplicações pode ser medida através dos chamados parâmetros de QoS. Os mais comumente analisados são: retardo fim-a-fim, taxa de perda de pacotes, variação do retardo fim-a-fim ( jitter ) e vazão. O retardo fim-a-fim contabiliza o atraso total sofrido por um pacote até atingir seu destino final a rede. Este parâmetro de medida leva em conta o tempo que os pacotes esperam em filas de roteamento, o tempo de propagação no meio físico e o tempo gasto com processamento nos terminais da rede. A taxa de perda de pacotes é a razão entre o número de pacotes recebidos e o número de pacotes enviados em um certo intervalo de tempo. Este parâmetro pode indicar que a taxa de transmissão de um terminal está incompatível com a capacidade da rede. O jitter ou variação do retardo fim-a-fim mostra as variações no tempo de entrega de um pacote em um determinado tempo. Essa variação tem relação direta com a demanda de uso da rede. Por último, a vazão é o parâmetro que indica a taxa de transmissão efetiva dos dados em bits. Pode-se dizer que a vazão é a banda de rede ocupada por uma aplicação. 3.2 FORMAS DE SE GARANTIR QOS Para se procurar garantir QoS os terminais de comunicação e os pontos intermediários de roteamento precisam trabalhar de forma a atender a demanda respeitando os limites máximos dos parâmetros citados para cada aplicação. Para isso, o primeiro passo é medir em tempo real os parâmetros de QoS e, com essa informação, montar um controle ativo para ajustar o trabalho dos aplicativos nos terminais a fim de reduzir os valores mensurados. A principal medida para melhorar a eficiência do transporte de dados na rede é procurar diminuir a quantidade de dados transmitidos. Uma das formas de se conseguir isso é comprimir os dados da melhor maneira possível. A redução no tamanho dos dados reduz a necessidade de banda e permite que mesmo com uma vazão menor toda a informação necessária seja transmitida. Transmitindo menos dados reduz-se a demanda por recursos de rede e o tempo de espera em filas de roteamento, assim o retardo fim-a-fim também diminui. No entanto, o uso de algoritmos sofisticados de compressão de dados traz a necessidade de se ter terminais com grande poder de processamento a fim de suportar a compressão em tempo real. 7

8 Outra medida necessária para se garantir QoS é o emprego de buffers de dados nos terminais. Os buffers são preenchidos tanto na transmissão quanto na recepção. Na transmissão os dados armazenados nos buffers podem ser enviados caso ocorram picos de processamento que atrasem a compressão dos dados a serem transmitidos. Na recepção, os buffers são empregados da mesma forma, ou seja, são descarregados caso ocorram atrasos na descompressão. O efeito compensador dos buffers contribui para a redução do jitter, estabilizando o retardo. Outra forma de diminuir o efeito de jitter é trabalhar com protocolos de roteamento que entregam pacotes com base em seu tempo de atraso em relação aos outros pacotes. A medida de tempo utilizada para definir que pacotes estão adiantados ou atrasados é calculado como uma média entre o maior e o menor atraso de entrega ponto-a-ponto. Pacotes adiantados devem permanecer na fila até atingirem o tempo estabelecido, já pacotes atrasados em relação a este tempo devem ser repassados o mais rápido possível. Por fim, a melhora na taxa de perda de pacotes é um aspecto mais complicado no funcionamento das aplicações que necessitam de QoS. Para se garantir entrega de pacotes é preciso utilizar protocolos de transporte confiáveis como o TCP, que não foi desenvolvido dando prioridade a tempo de entrega. Para manter a taxa de perda de pacotes em valores aceitáveis ao funcionamento das aplicações a saída é mesclar a utilização de protocolos confiáveis com protocolos não confiáveis. É importante ressaltar que a taxa de perda de pacotes é um importante indicador para ajustar a vazão da transmissão em uma comunicação com QoS visto que os terminais envolvidos podem não ter o mesmo poder de processamento. 4 ARQUITETURA DO H.323 A especificação do padrão H.323 prevê a existência de quatro tipos de componentes com funções distintas em uma comunicação multimídia: Terminais, Gateways, Gatekeepers e Multipoint Control Units (MCUs). Desses componentes os principais são os Terminais e os Gatekeepers, que serão vistos com mais detalhes. A figura 1 traz um exemplo de interligação entre os componentes do padrão H.323 e redes com outros padrões. O Gateway é um componente opcional na comunicação. Sua função é interligar terminais implementados com outros tipos de padrão, como o H

9 Vale ressaltar nesse ponto que o padrão H.323 foi desenvolvido para ser independente de plataforma operacional, plataforma de rede e fornecedor de equipamentos. Melhor dizendo, implementações do padrão devem trabalhar sobre qualquer tecnologia de rede de pacote utilizada e interoperar com equipamentos de diferentes fabricantes de componente e software. Figura 1 Arquitetura H.323 e outros padrões (Fonte As MCUs são formadas por uma unidade de controle Multiponto (MC) e uma ou várias unidades de processamento Multiponto (MP). Podem aparecer integradas aos terminais de comunicação. As MCs controlam a negociação e escolha do fluxo de dados (vazão), protocolos de compressão e comunicação a serem empregados pelos aplicativos participantes de uma comunicação. Já as MPs cuidam do processamento dos dados utilizados na comunicação. MPs independentes ajudam a aliviar a carga de processamento nos terminais. 4.1 CARACTERÍSTICAS DO TERMINAL H.323 comunicação. São representados pelos computadores ligados à rede, de onde partem os dados da 9

10 Todos os terminais no padrão H.323 devem suportar transmissão e recepção de voz. O suporte a vídeo e outros tipos dados é opcional. Os terminais podem integrar mais de uma funcionalidade, como no caso de atuarem como MCUs e Gatekeepers. O terminal H.323 é o componente que implementa a maior parte dos protocolos especificados visto que pode atuar em todas as camadas de rede. 4.2 CARACTERÍSTICAS DO GATEKEEPER H.323 O Gatekeeper é o principal componente especificado pelo padrão. Atua como ponto central e gerente para todas as chamadas dentro de sua zona, ou seja, dentro de um conjunto restrito de terminais, gateways e MCUs. Vale dizer que uma zona deve incluir pelo menos um terminal e pode incluir outros segmentos de rede conectados por intermédio de roteadores e gateways. O gatekeeper atua como um controlador central de chamadas, capaz de registrar todos os participantes de uma conferência, determinar largura de banda e traduzir endereços. Este componente pode aparecer integrado a outros componentes como o Terminal e o Gateway. 4.3 PROTOCOLOS DEFINIDOS PELO PADRÃO A especificação H.323 é uma especificação guarda-chuva, pois faz referência a diversos protocolos específicos, com diferentes finalidades, espalhados pelas quatro últimas camadas OSI. Dentre as atribuições dos protocolos referenciados estão codificação de voz, codificação de vídeo, sinalização, configuração de chamadas e transporte de dados. Assumindo que o principal objetivo do padrão é criar meios para melhorar a eficiência do uso da rede e conseguir QoS, podemos citar como protocolos mais importantes os responsáveis pela compressão de dados (áudio, vídeo e outros dados) e os protocolos de transporte. A figura 2 traz uma visão geral dos protocolos incluídos no padrão H.323. Um dos protocolos mais importantes do padrão é o G mais conhecido como Pulse Code Modulation (PCM) - cuja função é codificar e decodificar voz. Este protocolo é implementado por diversas aplicações na área de telecomunicações e deve ser suportado por todas as aplicações 10

11 H.323. O PCM codifica a voz utilizando símbolos de 8 bits a uma taxa de amostragem de 8000 vezes/s. É capaz de fornecer voz descompactada a uma taxa que varia entre 56 e 64 kpbs. Outro protocolo com a mesma finalidade e muito implementado pelas aplicações H.323 é o G.723.1, que utiliza predição para conseguir taxas de compressão em uma faixa entre 10 a 12 mais eficientes que o PCM. Figura 2 - Protocolos especificados pelo H.323 (Fonte: Da família dos protocolos de negociação de chamadas e controle temos o H.245, extremamente importante visto que, em uma mesma comunicação, podem trabalhar juntas aplicações com diferentes níveis de suporte a protocolos e com poderes de processamento diversos. Este protocolo é responsável por determinar quais serão os protolocos de compactação utilizados em uma conferência, quais as taxas máximas de transmissão suportadas, quais os critérios de conexão, entre outros pontos negociáveis. 11

12 As negociações estabelecidas pelo H.245 são de responsabilidade do Gatekeeper quando este está presente em uma zona de comunicação. Para possibilitar a troca de informações entre os terminais e este último componente é necessário a implementação do protocolo H.225. Esta categoria de comunicação forma um canal chamado de RAS (Registration/Admission/Status) por onde passam as informações utilizadas nas negociações. A troca de dados entre os componentes do padrão é feita com base no protocolo RTP (Real- Time Transport Protocol), uma variação do tradicional UDP. Para controlar a troca de dados, existe troca de informações de controle que é feita por um protocolo com garantia de entrega chamado RTCP (Real-Time Transport Control Protocol). Para permitir a comunicação de voz entre as redes de computador e as redes de telefonia, o padrão H.323 sugere o protocolo Q.931. O papel deste protocolo é fornecer condições para que exista negociação de características específicas das redes de telefonia, tais como geração de tons e controle de conexão dedicada. Após o estabelecimento da comunicação, o gerenciamento deste protocolo é feito entre o Gateway e o Terminal diretamente. O Gatekeeper atua somente na negociação de abertura de canal de comunicação. A figura a seguir mostra a interligação entre um terminal H.323 e um telefone comum. Figura 3 - Interligação entre diferentes tipos de redes (Fonte: 12

13 5 CONCLUSÃO A recomendação H.323, especificada pela ITU-T, estabelece padrões de comunicação multimídia para sistemas de telefonia audiovisuais sobre redes onde não exista garantia de qualidade de serviço. As primeiras especificações do padrão foram lançadas em 1996 ainda sem grande sucesso no controle de QoS. No entanto, a evolução da especificação continua e hoje o foco está voltado para consistência de QoS e aplicações multicast. O padrão H.323 não tem como fornecer por si só garantia de QoS. Sua especificação visa reunir meios para permitir o funcionamento de aplicações multimídia trabalhando o controle das chamadas e do fluxo de dados, algoritmos de compressão e sinalização. A preocupação com abrangência, interoperabilidade e flexibilidade acabou tornando o H.323 um padrão muito complexo e de difícil implementação. Na prática, as aplicações que fazem uso implementam um subconjunto menor de especificações e que atendam apenas às necessidades indispensáveis. Figura 4 - Interação SIP x H.323 (Fonte Grandes grupos de estudo pelo mundo têm procurado soluções mais simples ao H.323. Uma delas é o SIP (Session Initiation Protocol), criado pela Universidade de Columbia e IETF. O SIP é 13

14 especificado em módulo único e trabalha com um protocolo baseado em informação textual, assim como HTTP. Mesmo sendo mais simples, o SIP suporta interoperabilidade com as aplicações de Internet atuais. Comparativamente, o SIP é um padrão bem mais simples e leve do que o H.323, porém, suas características limitam a capacidade de interoperar entre diferentes fabricantes, além de não suportar algumas funcionalidades existentes no H.323 como, por exemplo, as conferências audiovisuais. Enfim, pode-se dizer que o H.323 é uma especificação extremamente abrangente, interoperável e completa, mas que tem como preço elevada rigidez e complexa implementação. A figura 4 mostra uma representação de interligação entre sistemas SIP e H

15 6 REFERÊNCIAS Leopoldino Machado, Graciela e Martins Rosa, Cristina, H.323: Um padrão para sistemas de comunicação multimídia baseado em pacotes, Web: Rede Nacional de Pesquisa, O que é qualidade de serviço (QoS). Web: Adelmo Jerônimo Silva e M. A R. Dantas, Arquitetura Híbridas de QoS em Redes I. Web: Luiz A. da Fonseca, José e A. Stanton, Michael, Estudo experimental de videoconferência pessoal em inter-redes IP com QoS. Web: International Telecommunication Union, Packet-based multimedia communications systems. Web: CISCO Systems, Implementing QoS Solutions for H.323 Video Conferencing Over IP, Web: Packetizer, H.323, Web: Tanenbaum, Andrew, Redes de Computadores, Ed. Campus, 2003, 4ª Edição. 15

16 7 QUESTÕES 1. Como podemos definir Qualidade de Serviço (QoS)? R: Analisando do ponto de vista das aplicações, QoS é o atendimento de um conjunto mínimo de requisitos necessários para que o objetivo final do serviço prestado pela aplicação seja completamente compreendido e atenda às expectativas do usuário. Do ponto de vista da utilização da rede, QoS é o conjunto de requisitos que a rede precisa oferecer às aplicações para que estas trabalhem de forma aceitável. 2. Por que encontramos dificuldade de oferecer QoS na Internet hoje? R: A base estrutural da Internet hoje são as redes IP. Este tipo de rede é baseada em pacotes e foi projetada para trabalhar com aplicações que empregam tráfego descontínuo de dados e sob a filosofia do melhor esforço na entrega dos pacotes. Dessa forma, as redes IP não têm como fornecer às aplicações meios de garantir que a entrega dos pacotes seja feita sob o seguinte conjunto de necessidades: entrega em curto espaço de tempo, mantendo uma ordenação determinada, sem grandes variações de tempo e disponibilizando largura de banda extensa. 3. O que o padrão estabelece para tentar permitir QoS em redes IP? R: O H.323 especifica o uso de técnicas de compressão de áudio e vídeo a fim de diminuir a necessidade de banda para trafegar as informações. Especifica também o emprego de buffers com o objetivo de compensar a variação nos tempos de entrega de pacotes e para permitir a ordenação da informação recebida. Por último, especifica o uso mesclado de protocolos confiáveis e nãoconfiáveis com a finalidade de reduzir o tempo de entrega dos pacotes e melhorar a qualidade e confiabilidade da comunicação. 4. Quais são os principais atributos do padrão H.323? R: O padrão especifica de forma abrangente e completa todo o conjunto de soluções (protocolos, técnicas de compressão,...) necessários para sua implementação. Sua filosofia de 16

17 criação privilegiou aspectos como independência de tecnologia de rede de pacotes, interoperabilidade entre equipamentos e aplicações de diferentes fabricantes e tecnologias de rede, independência de plataforma de utilização, flexibilidade na criação das aplicações e suporte a operação multicast. 5. Quais são os problemas relacionados a utilização de H.323? R: Devido à sua filosofia de criação e por ser extremamente completo e abrangente, o padrão acabou se tornando complexo e de difícil implementação, portanto, caro de ser empregado. Somado a complexidade, o H.323 é também muito rígido o que acaba dificultando a compatibilidade com aplicações mais antigas e, provavelmente, com as futuras. 17