Treinamentos

MOD TIVB-01

Módulo VoIP Fundamentos

Módulo 01 – MODTIVB-01

Objetivo do Curso

Este curso tem como objetivo proporcionar uma introdução aos fundamentos VoIP.

Público Alvo

Este módulo destina-se a profissionais interessados em implantações e administração de redes de

Telefonia IP e que buscam conhecimentos introdutórios em tecnologia VoIP, e que necessitam consultar

um glossário de informações inicial.

Pré-requisitos

Para este curso é necessário o conhecimento mínimo de Redes e Sistemas operacionais.

1. VoIP

O VoIP sigla que deriva do inglês “Voice Over IP”, tecnologia que permite a

digitalização e codificação de voz em pacotes IP, utilizando para transmissão a

rede de comutação de pacotes IP ou Internet.

Você provavelmente já se deparou com o VoIP em algum momento...

Quando utilizando Skype, MSN ...

Todas estas são aplicações que utilizam os protocolos da estrutura VoIP,

integrando vídeo, texto e áudio (conferência).

Alguns elementos motivadores possuem bastante peso quando pensamos em

migrar para uma solução VoIP:

Ligações de Longa distância com custo de ligação local

Integração de Voz e Dados em uma única rede

Demanda por comunicação Multimídia

Integração das comunicações da empresa sob um estrutura física e lógica

unificada

Gerenciamento unificado

Administração integrada da Telefonia e da Rede Local

Domínio das aplicações, regras e direitos de usuários

Ampliação dos usos da telefonia e maior flexibilidade, mobilidade e eficiência na

comunicação dentro e fora da empresa

Como o VoIP funciona?

Existem muitas definições de como o VoIP opera, porém existem poucos

documentos que explicam como o VoIP deve ser implementado, de forma segura

e garantindo a Qualidade de Serviço.

Isto acontece por não existir qualquer capítulo de “introdução ao VoIP,” e muitos

profissionais acabam tendo pouco tempo para se dedicar ao estudo conceitual, o

que acaba acarretando em um serviço errático e às vezes deficiente, motivo pelo

qual até hoje muitas empresas não confiam nos serviços de VoIP.

Principais Questões sobre o VoIP

Qualidade da Voz

Como o protocolo IP foi criado para transportar dados sem preocupação com o

“tempo real”, este protocolo não oferece uma garantia inerente de qualidade de

serviço, apenas o “serviço de melhor esforço” (best effort services).

Atualmente aceita-se que a qualidade da telefonia IP em ligações entrantes e

saintes para o mundo exterior possua uma qualidade “entre” o celular e a linha

física, embora seja possível, tecnicamente, que esta qualidade até mesmo

supere a da linha física.

Como o IP não foi desenhado para transportar voz, foi preciso desenvolver outros

protocolos e mecanismos que pudessem garantir a qualidade da voz.

O controle da qualidade de voz pode ser implementado de diversas formas, e

tudo começa pelo roteador de acesso, e o seu devido “tuning” de QoS.

A rigor, podemos gerenciar a qualidade do serviço até a Operadora, caso exista

um link dedicado até ela, ou por meio de um sistema de gerenciamento que

calcule as perdas e variações.

A qualidade do link e a efetividade de banda, bem como sua velocidade, além do

controle de QoS oferecem garantia até a borda, deixando todo o resto a cargo do

gerenciamento efetivo. Porém, quando entregamos os pacotes à “Grande Rede”,

diretamente, perde-se este controle e não haveria como garantir a qualidade. A

integração e projeto com a Operadora podem ser feitos de várias formas, mas no

final, será tudo uma questão de custo/benefício.

Interoperabilidade

Em um ambiente de rede pública, produtos de diferentes fabricantes precisam

operar uns com os outros se pretendermos que a utilização de VoIP seja factível

entre os usuários.

Para que haja interoperabilidade, é necessário a existência de padrões, entre

estes os mais comuns hoje são o H.323 e o SIP, sendo este último o mais

empregado nos serviços prestados por Operadoras de VoIP.

O SIP é um protocolo aberto, e que será abordado mais à frente.

Segurança

Quando tratamos de uma grande rede como a internet, a segurança que hoje faz

parte de nosso mundo de dados, deve ser também considerada para esse mundo

VoIP.

Imagine os pacotes de voz trafegando através da Internet livremente, e que

podem ser interceptados por alguém mal intencionado. Não é muito difícil

remontar estes pacotes e regenerar a conversação. Alguns programinhas até

fazem isto automaticamente...

Portanto, em uma rede livre, em tese, os pacotes estão sujeitos à “escuta”.

No caso de redes de telefonia interna de grandes corporações, a segurança e

controle de qualidade pode ser mais facilmente obtido, empregando-se acesso

VPN.

É possível controlar o acesso de usuários remotos e externos também através de

VPNs.

No caso de Service Providers, ou Grandes Redes de Telefonia, podem ser

empregados dispositivos denominados SBC s, Session Border Controlers, que

também podem resolver questões como o NAT Traversal.

Integração com a Telefonia Pública

Enquanto o mundo da Telefonia VoIP amadurece, temos que agir em função

também da telefonia antiga, ou legada, onde por um bom tempo ainda seremos

obrigados a integrar ambas tecnologias para prover o Serviço Tradicional de

Telefonia e integrar o mundo VoIP de baixo custo em ligações de longa distância.

Esta é a Telefonia IP híbrida, quando se faz o uso de tecnologias e equipamentos

que interagem, integram e permutam entre os mundos da Telefonia tradicional,

legada, e o mundo novo e constantemente em mutação, da Telefonia IP.

Escalabilidade

Os desenvolvedores trabalham incessantemente para proporcionar dispositivos e

aumento de capacidade que iguale ou supere a Telefonia Convencional.

Uma rede VoIP, ou Telefonia IP, possui uma escalabilidade inerente muito maior e

flexível para o aumento em grandes proporções que a telefonia analógica, visto

que toda a infraestrutura de redes disponível, assim como Wireless, pode ser

empregada em uma única rede IP.

Operação VoIP

O processo como o VoIP trabalha é extremamente simples:

Primeiramente, a voz é digitalizada utilizando-se um ADC (Analog to Digital

Converter), e em seguida este sinal digital é empacotado e transmitido via meios,

normalmente o IP, já utilizados para trafegar dados (internet por exemplo). Ao

chegar à ponta receptora, o processo é feito de forma reversa, agora se

utilizando um DAC (Digital to Analog Converter) para converter o sinal digital em

analógico.

Em resumo, no VoIP digitaliza-se a voz em pacotes de dados, transmite-se e

reconverte-se em voz novamente em seu destino.

A imagem abaixo exemplifica este processo:

Voz (origem) -> ADC -> Internet -> DAC -> Voz (destino)

Para ter uma comunicação VoIP temos os seguintes passos:

1. A voz humana é convertida em sinais digitais (bits).

2. Os bits são ordenados e codificados segundo uma compressão ideal para a

transmissão (Codecs), e transformados em pacotes UDP, sob o protocolo IP.

3. Os pacotes de voz inseridos em pacotes de dados UDP são priorizados e

tratados segundo o RTP (Real-time Protocol), do IP.

4. Utiliza-se um protocolo de sinalização sobre o IP (SIP, H.323 ou MGCP, por

exemplo), que é quem controla cada conexão (ligação).

5. No destino, os pacotes são desempacotados, os dados são extraídos e

convertidos em sinais de voz analógicos - nossos ouvidos serão sempre

“analógicos”, lembre-se, novamente.

CODECS (Codificador/Decodificador)

Depois do processo de digitalização da voz em dados, precisamos converter

esses pacotes em um formato padrão para que seja rapidamente transmitido,

para isto utilizamos os chamados CODECs (Codificador-Decodificador).

Os Codecs são algoritmos que codificam e comprimem um fluxo de dados digital

derivado da voz humana.

A ideia é permitir a transmissão da conversação original com a máxima

compressão de dados e a mínima perda de fidelidade. Por este motivo, existem

vários tipos de CODECs que são empregados de acordo com a infraestrutura de

transmissão de dados disponível.

2. Definições

Padrões de Codecs

ITU-T G.711 (PCM – Pulse Code Modulation)

G.723 (MP-MLQ speech coding at 6,3(5,3) kbit/s rate)

G.726-16 (ADPCM speech coding at 16 kbit/s rate)

G.726-32 (ADPCM speech coding at 32 kbit/s rate)

G.726-24 (ADPCM speech coding at 24 kbit/s rate)

G.729a (CS-ACELP speech coding at 8 kbit/s rate) (preferred)

G.711a (PCM audio coding standard, 8 kHz sample rate, 8 bits, 64 kbit/s data

rate)

G.711u (PCM audio coding standard, 8 kHz sample rate, 8 bits, 64 kbit/s data

rate)

É importante lembrar que nem todos os codecs são gratuitos, o G.729 e o G.723,

por exemplo, devem ser licenciados para a utilização.

O Consumo de banda é um fator que deve ser levado em consideração, pois um

codec como o G.729, por exemplo, consome em média 30 kbps, apenas para o

payload (carga de voz), além deste consumo existe ainda o consumo em relação

ao trafego de rede, onde este é encapsulado usando cabeçalhos de rede, motivo

pelo qual consideramos 45Kbps em média como a reserva de banda necessária

para cada canal de voz ativo.

Protocolos de Comunicação e Sinalização

RTP

RTCP

SDP

SIP

H.323

MGCP

3. Protocolos

Protocolo de Transporte

RTP (Real-Time Protocol)

RTCP (Real-Time Control Protocol)

O VoIP não utiliza TCP para trafegar os dados e sim UDP sobre IP.

O UDP, por não ser um protocolo orientado a conexões, não faz controle sobre a

ordem de entrega dos pacotes ou confirmações do mesmo.

A ideia é converter, encapsular e encaminhar o pacote em tempo real.

O Protocolo RTP resolve estes problemas permitindo que o receptor coloque os

pacotes na ordem correta e não espere muito tempo pelos pacotes que podem

ter sido perdidos ou que levem muito tempo a chegar.

Não é necessário que o fluxo venha na mais alta velocidade, pois todo pacote

precisa vir mesmo é um de cada vez, de forma contínua, ordenada e em tempo

real, com a mínima perda. É mais uma questão de controle e gerenciamento do

que velocidade.

O Protocolo RTP

O RFC 1889 intitulado “A Transport Protocol for Real-Time Applications” define

um protocolo que fornece um serviço de transporte de dados com características

de tempo real, dentre os quais são exemplos o áudio e vídeo interativo.

O RTP tem dois componentes:

O próprio RTP, responsável pela transferência de dados;

Um protocolo de controle (RTCP – RTP Control Protocol), responsável pela

monitoração da Qualidade de Serviço e pelo envio de informação sobre os

participantes numa sessão;

O RTP (transporte de dados) tem as seguintes características:

É executado fim-a-fim;

Transporta dados em tempo real: Streaming, Interativos

Não opera com confiabilidade de entrega;

Inclui as seguintes funções:

Timestamping (para compensação do jitter em pacotes do mesmo stream)

Numeração sequencial (para detecção de perdas e reordenação)

Identificação do tipo de payload (para descrever o tipo de codificação usado no

payload)

Identificação da fonte (em sessões multicast)

O cabeçalho RTP

O cabeçalho RTP é exibido abaixo:

Um exemplo de uso do RTP é visto na RFC 1889 (pg 5), onde ele é utilizado

para efetivação de uma conferência de áudio em multicast.

No início são alocadas duas portas UDP (uma para dados RTP e outra para

controle RTCP) e um endereço IP multicast.

Essa informação é transmitida para todos os participantes.

A aplicação utilizada pelos participantes envia o áudio em pequenos

fragmentos de 20ms de duração, cada um deles com um cabeçalho RTP, que

é transmitido via UDP na porta especificada anteriormente.

O cabeçalho RTP indica o tipo de codificação de áudio (PCM, ADPCM, MP3)

que está contida no pacote, a fim de que os participantes possam trocar a

codificação para permitir a entrada de um novo participante que está

conectado através de uma linha lenta.

Para pacotes que chegam em ordem trocada, o número de seqüência ajuda

na reorganização da informação.

Já para atrasos variáveis na rede, a informação de timestamp vai ajudar o

receptor a dimensionar o buffer de recepção, a fim de evitar truncamentos na

conversa.

O Protocolo RTCP

O protocolo RTCP (RTP Control Protocol) tem por objetivo fornecer feedback

sobre a qualidade de serviço na distribuição de dados RTP, e consegue isso

através de transmissões periódicas de pacotes de controle a todos

participantes da sessão RTP.

Suas funções são:

Feedback sobre a Qualidade de Serviço

Sincronização entre meios

Identificação dos participantes na sessão

Controle da sessão

Para contribuir com o protocolo RTP o RTCP utiliza os seguintes cinco tipos

de pacotes detalhados:

SR (Sender Report) - contém um relatório de envio e recebimento de pacotes

RTP por participantes ativos

RR (Receiver Report) - contém um relatório de recebimento de pacotes RTP

por participantes que não são fontes ativas

SDES (Source Description Items)

pacote descritivo do participante e inclui a informação do seu CNAME.

BYE - Indica a saída deste participante da comunicação

APP - Contém funções específicas da aplicação

H.323

H.323 é uma das recomendações da ITU Telecommunication Standardization

Sector (ITU-T) que se encontra na sessão H que define "Sistemas

Audiovisuais e Multimídia".

As recomendações do H.323 que definem o protocolo que prove sessões de

comunicação audiovisuais em qualquer rede baseada em pacotes.

Sua implementação se estende a equipamentos de voz e videoconferência,

utilizado com diversas aplicações em tempo real e é estendido também às

empresas e provedores de serviços do mundo todo com seus serviços de voz

e vídeo sobre redes IP.

É um protocolo mais antigo e robusto, muito empregado nas redes de

telefonia interna das empresas.

O H.323 foi o primeiro padrão VoIP à adotar os padrões IETF (Internet

Engineering Task Force) e RTP para transporte de áudio e vídeo via redes IP;

Outras recomendações estão juntas ao H.323: H.225.0, H.245, H.246, H.283,

H.341, H.450 Series, H.460 Series, e H.500 Series

As entidades H.323 podem se comunicar através de conexão ponto a ponto,

sobre um único segmento de rede, ou em uma internetwork com múltiplos

segmentos e topologias complexas.

Em H.323, pode se utilizar Gatekeepers, que são serviços de tradução de

endereços e provem controle de admissão. Um exemplo de Gatekeeper que

pode ser encontrado é o GNUGK, open source e bastante utilizado por muitas

organizações.

O Protocolo SIP

SIP (Session Initiation Protocol - Protocolo de Inicio de Sessão) inscrito na

RFC 3261 é um protocolo baseado em texto, similar ao HTTP e o SMTP.

O SIP é um protocolo “leve” da camada de aplicação, criado para iniciar,

modificar e terminar sessões com um ou mais participantes.

Suas sessões incluem chamadas telefônicas via internet, distribuição

multimídia e conferências.

O SIP utiliza elementos chamados Proxy Servers que auxiliam as requisições

de roteamento para localizar, autenticar e autorizar serviços aos usuários,

implementação de políticas de roteamento de chamadas, e prover

funcionalidades aos usuários.

O SIP também prove uma função de registro que permite aos usuários

enviarem suas localizações por uso de um servidor proxy.

O protocolo SIP roda no topo de diversos protocolos de transporte.

O Protocolo SIP possui cinco funções para iniciar, estabelecer e terminar

comunicações Multimídia:

Localização de usuário: determinação do endereço a ser usado para a

comunicação.

Disponibilidade do usuário: determinação da disponibilidade do

interlocutor de entrar na comunicação;

Capacidades do usuário: determinação da mídia e parâmetros a ser

usados;

Estabelecimento da chamada (call setup): estabelecimento dos

parâmetros de chamada entre participantes (quem faz e quem recebe).

Gerenciamento de Sessão: inclui transferência e término de chamadas,

modificação dos parâmetros da sessão.

Os destinatários no SIP são representados com URI (Uniform Resource

Indicators) o qual tem o mesmo formato de um endereço e-mail.

Isto implica a utilização de um Domain Name Services (DNS) para mapear

nomes de hosts e domínios para endereços IP.

Componentes do SIP

User Agents

Clients – Make requests

Servers – Accept requests

Server types

Redirect Server

Proxy Server

Registar Server

Location Server

Requisições SIP

INVITE (convidar) = Estabelece uma sessão

ACK (confirmar) = Confirma o comando CONVIDAR

BYE (encerra) = Finaliza uma sessão

CANCEL (cancelar) = Cancela a sessão ainda não respondida

REGISTER (registro) = Informa a localização do usuário (nome do usuário,

IP)

OPTIONS (opções) = Informa a capacidade e disponibilidade dos telefones

de chamada e recebimento SIP

SDP – Session Description Protocol

O SDP (Protocolo de Descrição de Sessão) é um protocolo que é

transportado no corpo de uma mensagem SIP.

O SDP é o encarregado de descrever as sessões.

Respostas SIP

Os requerimentos do SIP acionam respostas que constam das 6 classes a

seguir:

1xx = respostas de informações, tais como 180, que significa chamando

2xx = respostas de confirmação, 200 OK

3xx = respostas de redirecionamento

4xx = comandos não realizados

5xx = erros do servidor

6xx = erros globais

Fluxo SIP

Descrição:

Usuário A envia um INVITE (chama o usuário através de

seu numero, ramal)

Usuário B envia uma mensagem do tipo 180, indicando

que o telefone está “chamando”. Em seguida o usuário B

envia uma mensagem do tipo 200 OK (estabelecendo a

comunicação).

Usuário A então envia uma mensagem ACK, confirmando

o estabelecimento da sessão.

Enquanto os usuários falam, mensagens RTP são

trafegadas.

Quando o Usuário A desliga o telefone, ele envia uma

mensagem BYE para indicar para o outro lado que está

encerrando a sessão.

Ao lado é exibida uma

mensagem de pedido

de Registro ao

Servidor SIP:

REGISTER sip:192.168.1.10 SIP/2.0

To: DISC-OS<sip:Cacs@192.168.1.10>

From: DISC-OS<sip:Cacs@192.168.1.10>;tag=463dc402

Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.12:8394;branch=z9hG4bK-d87543-

454378505-1--d87543-;rport

Call-ID: 3b191c73ec28e928

CSeq: 2 REGISTER

Contact: <sip:Cacs@192.168.1.12:8394>

Expires: 3600

Max-Forwards: 70

Allow: INVITE, ACK, CANCEL, OPTIONS, BYE, REFER, NOTIFY,

MESSAGE, SUBSCRIBE, INFO

User-Agent: xTen Softphone

Authorization: Digest

username="Cacs",realm="asterisk",nonce="60d8b61a",uri="sip:192.1

68.1.10",response="51e648b2603e1e05e15ee980061eef78",algorithm=M

D5

Content-Length: 0

Registro de Usuário (REGISTER)

Observe que o usuário “Cacs” é o solicitante para o Servidor “192.168.1.10”:

To: DISC-OS<sip:Cacs@192.168.1.10>

From: DISC-OS<sip:Cacs@192.168.1.10>;tag=463dc402

Contact: <sip:Cacs@192.168.1.12:8394>

User-Agent: xTen Softphone

Note que o pedido foi realizado da estação 192.168.1.12 através da porta

8394:

Mais a fundo, podemos também encontrar qual a plataforma que está sendo

utilizada como Agente, neste caso um Softphone:

Padrões SIP - IETF RFCs

RFC3261 Core SIP specification – obsoletes RFC2543

RFC2327 SDP – Session Description Protocol

RFC1889 RTP - Real-time Transport Protocol

RFC2326 RTSP - Real-Time Streaming Protocol

RFC3262 SIP PRACK method – reliability for 1XX messages

RFC3263 Locating SIP servers – SRV and NAPTR

RFC3264 Offer/answer model for SDP use with SIP

RFC3265 SIP event notification – SUBSCRIBE and NOTIFY

RFC3266 IPv6 support in SDP

RFC3311 SIP UPDATE method – eg. changing media

RFC3325 Asserted identity in trusted networks

RFC3361 Locating outbound SIP proxy with DHCP

RFC3428 SIP extensions for Instant Messaging

RFC3515 SIP REFER method – eg. call transfer

Conhecendo as Operadoras

Existem hoje muitas Operadoras VoIP, entre estas, existem as que se

destacam por suas qualidades e serviços e principalmente por sua licença de

Operação.

As operadoras que prestam serviços estáveis precisam ser devidamente

licenciadas e certificadas para prover este tipo de serviço. Para tanto, elas

devem receber uma licença SCM da Anatel.

Muitas das operadoras contam já com uma enorme quantidade de POPs

(Pontos de Presença), o que traz facilidades para os usuários em relação aos

custos de ligação.

4. Operadoras VoIP

PSTN - Public switched Telephony Network

Rede de Telefonia Pública Comutada

A grande maioria dos telefones no mundo até hoje são conectados através

desta vasta rede de comunicações propiciada por Grandes Operadoras

Globais e Nacionais de Telefonia, composta por circuitos otimizados, inclusive

IP, para a comunicação em tempo real, permitindo que qualquer telefone

possa ser encontrado.

Todos os telefones desta rede são encontrados através da discagem de

números, o qual pode incluir código de pais, código de área e o número

telefônico.

As redes PSTN foram quase que integralmente digitalizadas, com exceção de

localidades muito remotas. Entretanto, principalmente no Brasil, a telefonia

analógica mantém uma presença expressiva. Denominamos a antiga telefonia

analógica como POTS.Todas as definições das PSTN são reguladas segundo

padrões definidos pela ITU-T.

POTS - Plain Old Telephone Service Line

A conexão residencial mais comum para PSTN no Brasil ainda é a linha

POTS. Serviços de telefonia mais recentes fornecidos por Operadoras de

Banda Larga não são POTS, ainda que o telefone de sua casa possa ser

analógico.

A linha POTS é constituída pela linha analógica, fornecida por um provedor de

telefonia tradicional e provavelmente antigo.

Cada linha POTS pode carregar apenas uma conversa por vez.

Para pequenas instalações, linhas POTS são usualmente, e ainda, as de

maior custo-benefício quando conectando diretamente para nosso Provedor

Local (Local Exchange Carrier - LEC), um termo usado para referir-se à

qualquer companhia provedora de serviço local.

ISDN - Integrated Services Digital Network

Rede Digital de Serviços Integrados

ISDN é uma rede toda digital que tem estado disponível através de décadas.

Este tipo de rede é disponível em duas principais versões:

Basic Rate Interface (BRI)

Primary Rate Interface (PRI)

A ISDN divide a linha em múltiplos canais.

Cada canal pode conter ou um pacote (Bearing, ou B-Channel - "Canal de

transporte/Canal B") ou sinalização (Data, ou D-Channel - "Canal de

Dados/Canal D").

Uma interface BRI tem 3 canais: 1 canal D e 2 canais B. Portanto, 2

chamadas telefônicas podem estar em progresso por vez em um único BRI.

Uma interface PRI tem 24 canais: 1 canal D e 23 canais B, resultando em 23

ligações simultâneas.

A ISDN não é limitada apenas à voz. Cada canal pode carregar 64k de dados,

isto se configurado com o LEC (Local Exchange Carrier).

É pouco ofertada no Brasil atualmente como Serviço Público de Operadora de

Telefonia para o consumidor/empresa cliente final. Porém é um protocolo

muito usado ainda para interligar equipamentos de videoconferência e

ligação equipamento-equipamento de fabricantes distintos.

Enquanto o T1 é uma linha com 24 canais, muito empregada nos USA, no

Brasil empregamos o E1, com 30 canais digitais.

Cada canal pode conter uma chamada.

No Brasil e Europa, o E1 é mais comum, e comporta 30 canais. O Brasil

seguiu a Europa quanto à oferta de múltiplos canais em E1, aqui chamado de

E1/R2 CAS, com ligeiras alterações no caso do padrão brasileiro, o que pode

levar a incompatibilidades com hardware e software não adaptados ao padrão

brasileiro.

O E1 é o serviço padrão de telefonia digital de múltiplos canais oferecido

pelas operadoras brasileiras. É um protocolo simples que se tornou o padrão

de tronco. Oferece o DDR (possibilidade de números PSTN mapeados em

ramais).

Fontes e Referências:

http://www.itu.int/rec/T-REC-H.323/en

http://www.gnugk.org/

http://www.ietf.org/rfc/rfc3261.txt

http://sip.edu/ - MIT Sip Basics

http://pt.wikipedia.org/wiki/T1

http://pt.wikipedia.org/wiki/Multiplex

*Building Telephony Systems with Asterisk (Livro)