VoIP. Semana de Eletrônica

Transcrição

1 VoIP Semana de Eletrônica Paulo Aguiar Tel. (0xx21) Núcleo de Computação Eletrônica e Departamento de Computação /IM da UFRJ

2 Roteiro Telefonia tradicional versus VoIP Regulamentação de VoIP Como a voz é transmitida Qualidade de voz e QoS Protocolos de sinalização para VoIP: H.323 e SIP Interoperação H.323/SIP Gateways VoIP/PBX O serviço fone@rnp Fone@RNP: cadastro, autenticação e gerência Ferramentas de medição de qualidade Demonstrações GT-VoIP Avançado 2

3 Roteiro Telefonia tradicional versus VoIP Regulamentação de VoIP Como a voz é transmitida Qualidade de voz e QoS Protocolos de sinalização para VoIP: H.323 e SIP Interoperação H.323/SIP Gateways VoIP/PBX O serviço fone@rnp Fone@RNP: cadastro, autenticação e gerência Ferramentas de medição de qualidade Demonstrações GT-VoIP Avançado ado 3

4 Telefonia Tradicional * 8 # assinante rede de telefonia tradicional (TDM) * 8 # assinante voz analógica sobre par trançado voz analógica sobre par trançado PBX PBX Conversão analógica-digital nas centrais (PCM G.711) Coleta amostras de voz (1 byte) a cada 125 µs (freqüência de 8 khz) 8 khz x 8 bits = 64 kbps Voz trafega em um circuito digital dedicado de 64 kbps Banda alocada completamente para a sessão de voz Comutação por circuito, sem filas ou atrasos intermediários Sinal digital é convertido novamente em analógico para ser enviado ao assinante 4

5 Telefonia Tradicional * 8 # assinante voz analógica sobre par trançado PSTN - rede tradicional de telefonia (TDM) PBX Os dígitos discados são usados para montar a rota até o destino Caso um canal de 64 kbps não esteja disponível em qualquer enlace intermediário, o estabelecimento da chamada é interrompido e ouvimos o sinal de chamada não completada Quando ouvimos o toque de chamada no destino, essa é a confirmação de que um circuito fim-a-fim de 64 kbps foi estabelecido * 8 # assinante voz analógica sobre par trançado PBX 5

6 Telefonia Tradicional Disponibilidade/Confiabilidade Os cinco noves 99,999% = MTBF/(MTBF+MTTR) Base de qualidade Qualidade da ligação Percentagem de chamadas completadas Mas, com a integração entre telefonia fixa e celular isso permanece? 6

7 Telefonia IP * 8 # Telefone IP rede local voz pacotizada lnternet roteador roteador Telefone IP pode ser software rodando em um PC ou hardware dedicado Amostras de voz são acumuladas em pacotes IP e enviadas pela Internet 64 kbps: voz sem compressão (G.711) 5,3 kbps: voz com compressão (G.723) Supressão de silêncio, economizando banda adicionalmente Problemas Atrasos, variação de atraso (jitter) e perdas de pacotes podem comprometer a qualidade da ligação * 8 # rede local Telefone IP voz pacotizada 7

8 Cenários VoIP a) PBX Gateway Internet Gateway PBX b) PSTN Gateway Internet Gateway PBX c) PBX Gateway Internet Estação IP d) PSTN Gateway Internet Estação IP e) Estação IP Internet Estação IP 8

9 Vantagens de VoIP Para Usuário Flexibilidade DDR/DDI pode não ser disponível ou PBX pode não receber/originar chamadas Telefone pode não ser ubíquo Podemos ter rede onde não temos ramal telefônico Custos Tarifas de longa distância são proibitivas Impacto em cooperação nacional e internacional Impacta interação durante ausências e viagens Tendência tecnológica a médio prazo 9

10 Perfil de Custo Telefônico Grande universidade (ex. UFRJ) DDD/DDI 31 % Celular 37 % Impulsos 8 % Fixo 24 % Troncos, assinaturas, linhas privadas 10

11 VoIP em Apoio a Mobilidade PBX da operadora PSTN gateway PSTN/VoIP Usuário pode manter um número de telefone sem estar fisicamente na área atendida pelo código Em caso de mudança física, número não precisa ser alterado Chamadas da PSTN ao número antigo são direcionadas para o usuário via Internet * 8 # lnternet Rio de Janeiro (21) roteador LAN Adaptador VoIP/ FXS * 8 # Telefone analógico Salvador (21) (71) XXXX

13 VoIP no Brasil Regulamentação SCM (Serviço Comunicação Multimídia) permite a exploração do uso de VoIP Licença SMC: R$ 9.000,00 fixo, para qq abrangência (área geográfica restrita, nacional e/ou internacional) Não permite terminar chamada na telefonia fixa (licença para a exploração de telefonia fixa requerida) Muitas empresas já licenciadas Pendente Interoperação entre provedores VoIP Interoperação com PSTN (gateways, numeração) Avaliação do serviço e métricas para garantir qualidade ao usuário 13

15 Como a voz é digitalizada? Digitalização da voz feitas nos CODECs (codificador/decodificador) nas pontas Usado DSP (processador digital de sinal), analisando várias amostras de voz simultaneamente 15

16 CODECs de Áudio Para conseguir compressão, precisam analisar um conjunto de amostras de voz de forma antecipada (lookahead) CODECs complexos, que obtêm grande compressão, geram maiores atrasos de codificação e decodificação Na reprodução da voz, os pacotes de mídia têm que estar presentes na entrada do CODEC em instantes precisos Se pacote é atrasado em demasia na rede, ele é desperdiçado (perdido) e alguma técnica como interpolação tem que ser usada para compensar Para lidar com a variação de atraso da rede (jitter), atrasa-se a reprodução da voz no destino usando buffers de compensação de jitter 16

17 CODECs de Áudio ITU-T G.711 (PCM) A Law e µ Law: níveis de quantização da voz 64 kbps (50 ou 33 pcts/s) Atraso de processamento e complexidade mínimos ITU G.729A 8 kbps (50 ou 33 pcts/s) Intervalos de 20 ou 30 ms Codificação ACELP (Algebraic-Code- Excited Linear-Prediction) Atraso de codificação 10 ms (quadro), 5 ms (lookahead), 10 ms (processamento) = 25 ms ITU-T G ,3 kbps (158bits/30ms) 6,3 kbps (189bits/30ms) Tipos de Codificação: ACELP para 5,3 kbps ML-MLQ para 6,3 kbps Atraso de codificação 30 ms (quadro), 7,5 ms (lookahead), 30 ms (processamento) = 67,5 ms 17

18 Como a voz é transportada fim a fim? Saída do CODEC é enviada usando a pilha de protocolos RTP/UDP/IP Cabeçalho de RTP = 12 bytes Cabeçalho de UDP = 8 bytes Cabeçalho de IP = 20 bytes 18

19 Consumo Real de Banda Codec Taxa de Amostragem (ms) Payload de voz (bytes) Pacotes por segundo Largura de banda consumida G kbps G kbps G.729A kbps G.729A kbps 19

20 Supressão de Silêncio Silêncio pode significar 60% do tempo de uma conversa, e banda pode ser economizada com o uso do detector de atividade de voz (VAD) Entretanto, o VAD pode acarretar problemas indesejáveis como falhas no início das palavras Operar sem detecção de silêncio pode melhorar muito a qualidade de uma chamada 20

22 Problemática VoIP Qualidade da voz impactada por perda, atraso e variação de atraso (jitter) Perda (ideal < 1%, < 2% aceitável) Atraso Para conversa interativa, atraso máximo fim-a-fim deve ser inferior a 150 ms (ITU-T) Valores de 200 ms ainda toleráveis na prática Variação de atraso (jitter) Eco Se for alto, pacote atrasado é considerado perdido 22

23 Como lidar com perda e atraso? Usar priorização para o tráfego de voz, nas camadas de enlace e rede para diminuir e/ou eliminar perda e atraso Para enlaces de baixa velocidade, fragmentar pacotes grandes de dados 23

24 Aplicação de QoS Lembrar que QoS para voz deve ser fim-a-fim Dar tratamento prioritário para VoIP em todas as interfaces dos roteadores Dar tratamento prioritário/diferenciado nos buffers das switches internas de rede local Ter banda em excesso não é garantia de condições instantâneas de qualidade em regime de tráfego não controlado 24

25 Medindo a Qualidade Avaliações Subjetivas Mean Opinion Score (MOS) Valor de 1 (inaceitável) a 4,5 (excelente) representando a qualidade do áudio Avaliações Objetivas E-model (ITU-T G.107 e ETSI ETR250) Combina diversos parâmetros de performance em um modelo computacional complexo Pode ser mapeado em MOS 25

26 E-Model versus MOS R Satisfação do Usuário MOS Desejável Aceitável Muito Satisfeito Satisfeito Alguns usuários insatisfeitos Muitos usuários insatisfeitos Quase todos os usuários insatisfeitos Não Recomendado

27 Influência do Codec na Qualidade da Voz 27

29 Chamada VoIP Dividida em etapas Localização do usuário Descobrir o IP destino com base no número telefônico ou alias Negociação dos parâmetros para a chamada Tipo de CODEC, etc Estabelecimento dos canais para a mídia de voz Portas UDP para RTP/RTCP 29

30 Protocolos de Sinalização VoIP H.323 ITU-T Padronizado pela comunidade de telecomunicações Preocupação com interoperabilidade SIP (Session Initiation Protocol) IETF Padronizado pela Internet Preocupação com flexibilidade e facilidade de integração com Web 30

31 Elementos H.323 Gatekeeper: Gerencia o registro, status e admissão Gateway H.323/PSTN: tradução dos de usuários (RAS) formatos de transmissão e procedimentos de comunicação entre H.323 e Rede Telefônica (PSTN) Rede de Telefonia Convencional Rede Local Gatekeeper Terminal H.323: ponto final da comunicação multimídia Terminal H.323 Terminal H.323 Central Telefônica (PBX) Terminal H.323 Servidor de Conferência : suporte a conferências entre três ou mais pontos terminais MCU Gateway PSTN/H.323 Herança da rede telefônica Endereçamento de números telefônicos Encapsulament o das mensagens de sinalização ISDN Maior tempo de padronização Número grande de produtos 31

32 Sinalização H.323 Protocolo H.225 RAS Requisições de Registro/Admissão/Status Acontecem sempre dos terminais H.323 para o GK Sinalização de Estabelecimento de Chamada (Q.931/H.225) Controle de Mídia (H.245) Segurança (H.235) 32

33 Histórico de H.323 Início: SG-16 do ITU-T (Maio 1995) H.323 v1, June 1996 H.323 v2, Fev 1998 H.323: Packet-based multimedia communication systems H.450.(1) (serviços suplementares) H.323 v3, Fev 2000 H.323 v4, Mar 2001 Aprimoramentos em H.450.X, H.460.X H.323 v5, Jul 2003 H.460.X, H

34 Session Initiation Protocol (SIP) Produto do grupo de trabalho MMUSIC da IETF RFC 2543, (Fev/1999) (início em 1995) RFC 3261, SIP (Jun/2002) Funções Convite de usuários para participar de sessões multimídia Localização atual do usuário para entregar o convite Transporte de descrições de sessões Modificações on-the-fly de sessões Terminação de sessões 34

35 Session Initiation Protocol (SIP) Usa características da Internet, como: URLs (para endereçamento) Interação entre domínios administrativos através de DNS Requisições e respostas no formato texto Herança do protocolo HTTP MIME-types, podendo enviar qualquer conteúdo no corpo das mensagens SIP (como fotos, vídeo, páginas web) 35

36 Arquitetura SIP User Agent SIP (UA SIP) Terminais finais da comunicação Exemplos Telefones SIP Gateways SIP/PSTN Servidores SIP Registrar, Proxy, Redirect SIP 36

37 SIP Session Exemplo de Mensagem SIP (1): INVITE SIP/2.0 From : Cesar Marcondes <sip:cesar@voip.nce.ufrj.br> Subject : VOIP Development Meeting To : Vitor <sip:vitor@uol.com.br> Initiation Protocol Via : SIP/2.0/UDP proxysip.voip.nce.ufrj.br Servidor Redirect: envia uma Call-ID : @ Cliente SIP: ponto final mensagem da para os clientes contendo o novo endereço SIP Content-type comunicação : application/sdp multimídia procurado CSeq : 8324 INVITE Content-Length : 187 SIP Client 1 12 Servidor SIP Proxy Exemplo de Mensagem SIP (12) : SIP/ OK Servidor Proxy: realiza a From : Vitor <sip:vitor@uol.com.br> sinalização como se fosse o To : Cesar Marcondes <sip:cesar@voip.nce.ufrj.br> originador da chamada Via : SIP/2.0/UDP proxysip.uol.com.br Call-ID : @ CSeq : 8324 INVITE Servidor SIP Proxy Servidor SIP Redirect SIP Client Data Data Servidor SIP Proxy Location Service Data Data 37

38 Mensagem SIP INVITE SIP/2.0 From : Cesar Marcondes <sip:cesar@voip.nce.ufrj.br> Subject : VOIP Development Meeting To : Vitor <sip:vitor@uol.com.br> Via : SIP/2.0/UDP proxysip.voip.nce.ufrj.br Call-ID : @ Content-type : application/sdp CSeq : 8324 INVITE Content-Length : 187 v=0 o=user IN IP s=meeting Room i=discussion about SIP XP Technology e=room@microsoft.com c=in IP /127 t=0 0 m=audio 3456 RTP/AVP 0 O campo de carga do pacote normalmente contém a descrição da mídia da sessão Protocolo SDP [RFC 2327] Estabelece os canais de mídia sem atraso ou complexidade Modo texto 38

40 Interoperação SIP/SDP e H.323 Stacks Básicos dos Clientes H.323 SIP Terminal Control/Devices Q.931 H.245 RAS RTCP TPKT TCP UDP IP and lower layers Codecs RTP Terminal Control/Devices Codecs SIP SDP RTCP RTP Transport Layer 40

41 SIP versus H.323 Requisições e Respostas Baseadas em Texto Puro Protocolo SDP (descreve os tipos de mídia e endereços de transporte da mídia) Servidores com diferentes comportamentos: registrar, proxy, redirect Codificação Binária baseada em ASN.1 Sub-protocolos: H.245, H.225 (Q.931, RAS, RTP/RTCP), H.450.x... Servidor Único Gatekeeper H.323 Entretanto, ambos usam RTP/RTCP sobre UDP/IP 41

42 Problemas de Interoperabilidade Discagem Multi-Fases no H.323 versus negociação bem mais simples no SIP H.323 SIP Q.931 SETUP Q.931 CONNECT Terminal Capabilities Terminal Capabilities Open Logical Channel Open Logical Channel Endereço Destino Capacidades de Mídia (audio/video) Endereços de Transporte de Mídia (RTP/RTCP) INVITE 200 OK ACK 42

43 Evolução do H.323 Mecanismo de Fast Start Negocia canais de mídia junto com a sinalização de abertura de chamada (H.225/Q.931 SETUP/CONNECT) Tunelamento H.245 Usa o mesmo canal de sinalização da abertura de chamada para efetuar o controle da mídia Canal de sinalização mantido aberto até a final de envio de mídia Conclusão: H.323 fica mais eficiente e se aproxima do comportamento do SIP 43

44 Gateways H.323/SIP Comerciais Recentes (não testados) Radivision Implementações de código aberto em uso Asterisk Funciona também como gateway VoIP/PSTN e softpbx Limitações de interoperabilidade ainda sendo avaliadas 44

46 Interoperando com a PSTN (PBX) PBX Telefone analógico * 8 # E * 8 # FXS lnternet gateway VoIP Gateway é o elemento que faz a interconexão entre a PSTN (PBX) e a rede IP Interfaces E1 para troncos digitais R2, ISDN e Q.SIG FXO e E&M para troncos analógicos FXS para conexão de aparelhos analógicos PSTN E1 gateway VoIP FXO PBX * 8 # 46

48 Serviço Desenvolvido pelo grupo de trabalho em voz sobre IP da RNP (GT-VoIP, maio/2002 maio/2004) Coordenação: Laboratório VoIP NCE/UFRJ Primeira fase: operação H.323 Segunda fase: suporte a SIP e aprimoramentos GT-VoIP Avançado (maio/ maio/2005) 48

49 Arquitetura H.323 do SQL Secundário Estação de Gerência Instituição A Instituição B PBX Gateway Gatekeeper RNP2 Gatekeeper Virtual Radius/SQL Virtual Radius/SQL PSTN Telefones virtuais recebem número E.164 e são autenticados no GK VOIP WG Internet 2 Directory Gatekeeper Software Público GnuGK, OpenH323, Openphone, FreeRadius, MySQL, ActivePerl 49

50 Software Referência Relatório Gt-VOIP P5.1 Projeto-Piloto VOIP: requisitos de produção Arquitetura, requisitos de hardware/software, protocolos, estrutura de gerência, descrição de testes 50

51 Plano de Numeração * GK UFRJ * (tel. virtuais) *... (ramal) Rede UFRJ PBX peixoto cesar 51

52 Instituições Participantes Instituição PBX GK GW H.323 INPA Alcatel GnuGK Cisco 4FXO UFAM Philips GnuGK RNP-RJ/IMPA Philips GnuGK Cisco 4FXO RNP/Campinas Philips GnuGK Cisco 4FXO RNP-DF/IBICT Philips GnuGK Cisco 4FXO Plano de Discagem PoP-PE/UFPE Philips GnuGK Telefones virtuais: 0><área><número> UFC MEC Ericsson Ericsson GnuGK GnuGK Cisco 4FXO Cisco E1 Telefones fixos: <área><número> Exterior: <00><país><área><número> CNPq Siemens GnuGK Cisco E1 USP Siemens GnuGK Cisco FXO/E1 UFSC Siemens GnuGK Cisco 4FXO UFRJ NEC GnuGK Cisco E1 IME GnuGK UNIFACS GnuGK 52

53 Directory Gatekeeper Zona administrativa DGK Zona administrativa Gateway GK GK Gateway Terminal H.323 Terminal H.323 Terminal H.323 Gateway Gateway Terminal H

54 Interoperação Internacional Internet2 DGK * DGK Brasil * GK MEC GK UFRJ 54

55 DGK Internet2 I2 GATEKEEPER CONFIGURATION (gk01.internet2.edu) Updated 07 September 2004! gatekeeper zone local IUGK iu.edu zone local PSUGK psu.edu zone local UVIRGINIAGK virginia.edu zone local NWUGK nwu.edu zone local UWISCGK wisc.edu zone local UWASHINGTONGK washington.edu zone local IHETSGK ihets.org zone remote AARNet edu.au zone remote UIUCGK uiuc.edu zone remote RNPDGK ufrj.br zone remote UFLGK ufl.edu zone remote CESNETGK cesnet.cz zone remote UCGK uc.edu zone remote TAMUI2 tamu.edu zone remote UNAMGK unam.mx zone remote SURFNET surfnet.nl zone remote CSUGK colostate.edu zone remote ITESMGK qro.itesm.mx zone remote IHETSGK ihets.org zone remote ECUVOIP ecu.edu ! Indiana University! Penn State University! University of Virginia! Northwestern University! University of Wisconsin, Madison! University of Washington! Indiana Higher Education Telecommunication System! Australian Academic and Research Network! University of Illinois at Urbana-Champaign! Brazilian National Education and Research Network RNP! University of Florida! Czech National Research & Education Network! University of Cincinnati! Texas A&M University! Universidad Nacional Autónoma de México! SURFNET (Netherlands)! Colorado State University! Tecnologico De Monterrey! Indiana Higher Education Telecommunication System! East Carolina University 55

56 IVR (Interactive Voice Response) Para acessar o serviço VoIP, o usuário disca número chave no PBX que direciona para o gateway e IVR toca mensagem IVR coleta os dígitos DTMF discados e GW encaminha a chamada IVR permite que o serviço seja acessado de forma explícita, evitando reprogramação do PBX 56

58 Serviços do Cadastro de usuários na UFRJ Lista de usuários on-line Gerência de configuração do GK Geração de estatísticas Ferramentas de monitoração ativa e passiva 58

59 Autenticação no GK Via IP Ident.. e IP Cliente H.323 GK accept/ deny GW Usuário/Senha Cliente H.323 Ident./ Senha GK Ident./ Senha Radius alias SQL accept/ deny alias LDAP evita que usuário se cadastre com alias errado futuro 59

60 LDAP Permite a integração do VoIP com bases corporativas O uso de outros métodos de autenticação que não conta/senha, como certificados digitais armazenados no LDAP, será investigado e explorado 60

61 Gerência e Operação Lista de usuários on-line 61

62 Gerência e Operação Configuração e gerência de GK via web 62

63 Gerência e Operação Estatísticas de uso do serviço Intensidade de tráfego, duração das chamadas, motivo de término, qualidade das chamadas, matriz de tráfego e outras 63

64 Papel das Estatísticas Geração de alarmes automáticos no início e término das chamadas Geração de relatórios Uso, características do serviço, matriz de tráfego, métricas de desempenho, etc Planejamento de QoS e engenharia da rede Determinação de enlaces congestionados Falha no tratamento de QoS Evolução da demanda 64

66 Ferramentas de Monitoração Arquitetura de Monitoração Ativa Geração, coleta e monitoração da qualidade de ligações VoIP, para medições repetitivas a vários pontos Arquitetura de Monitoração Passiva Captura dos pacotes de chamadas de voz em tempo real e integração com módulos externos de avaliação de qualidade de voz (MOBVEM, VQmon) GW PC Instituição 1 GK coletor Estação de Gerência SNMP PSTN roteador Internet roteador coletor GW PC GK Instituição 2 66

67 Ferramentas de Monitoração MOBVET Modified OpenPhone Based Voice Evaluation Tool Baseada no Openphone e MOBVEM, permite medir o MOS de uma chamada entre dois telefones virtuais MOBVEM - Modified OpenH323 Based Voice Evaluation Module Módulo genérico para avaliação objetiva da qualidade de voz baseado no OpenH323 e em extensões ao modelo E Integrada no BeaconH323 (OARnet- Internet2 Technology Evaluation Center ) 67

69 Demo do serviço SIP 69

70 Cenário 1: Sip H323 SIP 70

71 Cenário 2: Sip Ramal PBX SIP 71

72 Cenário 3: H323 Ramal PBX SIP 72

73 Cenário 4: Sip PSTN SIP 73

74 Roteiro Telefonia tradicional versus VoIP Regulamentação de VoIP Como a voz é transmitida Qualidade de voz e QoS Protocolos de sinalização para VoIP: H.323 e SIP Interoperação H.323/SIP Gateways VoIP/PBX O serviço fone@rnp Fone@RNP: cadastro, autenticação e gerência Ferramentas de medição de qualidade Demonstrações GT-VoIP Avançado 74

75 GT-VoIP Avançado (maio/2004- maio/2005) Evolução do GT-VoIP, objetivando principalmente a implantação escalável do serviço fone@rnp, com suporte a SIP e H.323 Aprimoramento dos ambientes de gerência e medição/monitoração de tráfego Teste de novas formas de localização de usuários com uso de DNS Uso de diretórios nos procedimentos de autenticação e autorização 75

76 Documentação Site Documentos do projeto Referências para H.323 e SIP Relatórios diversos Estatísticas Registro de telefones virtuais Download de aplicativos Serviço fone@rnp 76

77 Lab VoIP 77

78 78