Prof. Rodrigo Coutinho

Voip Tecnologia de comunicação de voz sobre as

redes IP Digitaliza e codifica a voz em pacotes para

transmissão pela rede Alternativa competitiva em relação às redes de

telefonia É possível comunicar-se com os telefones

convencionais

Voip – Por que? Redução de custos

Comunicações não precisam passar pelas telefônicas Rede WAN pode ser compartilhada

Melhoria operacional Estrutura de redes comum Simplificação de administração da rede

Integração de ferramentas de trabalho Voice mail, e-mail e fax integrados Mobilidade usando IP

Novos serviços Aplicações integradas ao VoIP

Voip – Convergência

Voip – Arquitetura básica

VoIP - Componentes Codificação e decodificação da voz analógica

Conversão e compressão dos dados

Sinalização Setup e encerramento das ligações Negociação de recursos e codificações

Transporte do tráfego Transmissão em pacotes IP Roteamento Suporte à qualidade de serviços (QoS)

Identificação Número do telefone ou endereço IP

VoIP - Codificação Diversos Codecs diferentes disponíveis

Balanço entre qualidade, processamento (requisitos e delay) e taxa de bits

Qualidade medida em MOS (Pesquisa entre usuários) MOS varia entre 1 (ruim) e 5 (excelente) MOS = 4 – Qualidade de telefone público

VoIP - Codificação

QoS Quality of Service Razões

Nem todo tráfego deve ser tratado igual Alguns tipos de tráfego precisam de latência baixa Clients podem pagar mais para ter um serviço melhor Necessidade de coexistência de tráfegos distintos

Rede precisa garantir um nível de serviço Delay (atraso) Jitter (variação de atraso) Perda de pacotes

Precisa ser negociado no início da conexão Cliente requisita o recurso, que pode ser atendido ou não

QoS – Mundo real Os links tem banda reduzida, então é preciso

priorizar o tráfego, especialmente VoIP QoS auxilia a diminuir os picos e usar a banda de

forma mais eficaz, se o problema é de bursts periódicos

QoS auxilia mas não resolve um link que está saturado

Uso “profilático”: Antes da saturação para proteger as aplicações sensíveis

Deve levar em conta os objetivos organizacionais

QoS – Aplicações Voz

Reduz latência Usar banda com inteligência Priorizar tráfego de voz

Servidores e aplicações Balanceamento de carga Web caching Confiabilidade Alta disponibilidade

QoS em Voip - Problemas Atraso

Echo (Eco) – Tratado pelos sistemas. Causado pela reflexão de sinal. Significativo quando roundtrip > 50ms

Sobreposição – Quando a voz de um interlocutor atravessa a do outro. Ocorre quando o atraso fica grande ( > 250ms)

Fontes de atraso em uma ligação Voip Algoritmo – Necessidade de receber uma quantidade de

frames de voz para só então processá-los Processamento – Causado pela codificação e

encapsulamento para transmissão na rede; jitter buffer Atraso da rede – Tempo usado pelo meio físico para

transmissão (velocidade do meio; atrasos em routers; buffer contra variação)

QoS em Voip – Soluções de Contorno Echo Cancellation

Necessário na maioria dos casos ( delay > 50 ms) Requerimentos de performance definidos na ITU G.165 Componentes: Correlator (tamanho do atraso); FIR filter

(remove o echo); Speech detector (detecta voz)

Jitter Uso de buffer para aguardar os packets mais lentos Causa delay adicional

Objetivos conflitantes: Minimizar delay x Jitter Packet loss

Redes IP não são orientadas à conexão (perda de pacotes) Retransmissões TCP não são ideais (voz é sensível ao tempo) Pode ser compensado por envio de informação redundante

Voip – Exemplos de atrasoCodec Packetization

DelaySender Codec delay

Jitter buffer delay

Receiver codec delay

G.711 20 1 40 1

G.729 20 15 40 2

QoS – Formas de entregar Camada 1 – “Primórdios”

Circuitos separados para voz e dados Uso ineficiente e administração menos eficaz

Camada 2 – Visão ATM Uso de células ATM com Qos do ATM (AAL) Overhead pelo tamanho das células e necessidade de

gerência das redes ATM e IP

Camada 3 – Visão IP Multiplexação via IP Administração de IP, com uso de tecnologias QoS de

camadas 2 e 3

QoS – RSVP Resource Reservation Protocol

Protocolo de reserva de recursos Desenhado para obter características similares a circuitos

virtuais em uma rede IP Ideal para QoS de natureza “quantitativa”, onde a

aplicação identifica claramente seus requisitos de qualidade

Não escalável pois trata as requisições QoS com o conceito de fluxo

QoS – IntServ Aplicações solicitam reservas de recursos de rede

conforme as necessidades Flow Specs

Tspec – Aspecto do tráfego Rspec – tipo de necessidade para aquele tráfego

RSPEC Normal - “best effort” aplicações comuns Controled Load – Qos light; Guaranteed – Prometido – usual para video e voz

Utiliza RSVP Pouco funcional em larga escala

QoS – DiffServ Classifica os pacotes para tratá-los Administrador de rede é que define as prioridades Domínio Diffserv

Grupo de roteadores que implementa política comum

Usa o campo ToS (Type of Service) do datagrama IP para priorização (chamado de DS) Classifica os pacotes conforme SLA estabelecido Níveis de serviço são diferentes conforme política

estabelecida em cada caso Mais escalável que o RSVP, mas classificações QoS não

são tão granulares

QoS – DiffServ Formas de classificação

Endereço de origem ou destino; Tipo de tráfego ou Porta utilizada

Domínio, quando recebe pacotes, nem sempre confia na marcação Diffserv existente

Teoricamente, pode possuir até 64 tipos diferentes Na prática, se dividem em 4 grandes grupos

Default PHB – geralmente tráfego melhor esforço Expedited Forwarding (EF) – low-loss, low-latency Assured Forwarding (AF) – grupo de controle Class Selector PHB – manter compatibilidade com campo

precedência do ToS

QoS – DiffServ Default PHB

Único requerido. Tratamento padrão.

Expedited Forwarding (EF) Baixo delay, perda e jitter Ideal para voz e vídeo em tempo real Normalmente é a maior prioridade

Assured Forwarding (AF) Garante a entrega do pacote, caso esteja dentro de limite

pré-estabelecido Low, Medium and High Drop

Class Selector PHB Compatibilidade com o precedence do ToS

DiffServ – Bandwidth Broker Aloca largura de banda conforme policies da

organização Administração centralizada das policies do

domínio No Diffserv normal, cada roteador toma sua decisão

DiffServ - Problemas Problemas fim-a-fim

Cada domínio Diffserv trata pacotes de forma diferente Tag do domínio anterior não vale nada

DiffServ x Mais capacidade Em redes de fibra, tem sido mais barato e fácil aumentar

os links do que fazer policies Diffserv

Provedores usam de forma incorreta Finalidade de overbooking dos links Exemplo clássico: pacotes P2P

QoS – RTSP e COPS Real-time Streaming Protocol

“Controle-remoto” para vídeo e áudio em tempo real Usa o RTP para transmitir o conteúdo em si Sintaxe e operação similares ao HTTP, mas protocolo é

stateful Usa porta 554 tanto para UDP ou TCP Tipos de Requests: Describe; Setup; play; Pause; Record

Common Open Policy Service Protocolo para comunicação de políticas de QoS entre os

nós da rede Policy Decision Points (PDP) - Servidores Policy Enforcement Points (PEP) - Clientes

Protocolos Protocolo de sinalização

Estabelece presença, localiza usuário e estabelece/regula as sessões

Codecs, config. chamadas, modo de autenticação, segurança, etc

Protocolos de transporte Transmitem sinais de áudio/video pela rede

Protocolos de suporte Localização de gateway QoS Tradução de endereços

RTP e RTCP Real-time Transport Protocol

Utiliza UDP (TCP é previsto, mas raro) Protocolo voltado para transmissão em tempo real Provê timestamp, detecção de perda, segurança e

identificação do conteúdo Sessões são separadas para cada tipo de mídia (ex. audio

e video)

Real-time Transport Control Protocol Usado para monitoração do QoS e informação de

participantes daquela sessão

Compressão de cabeçalho IP Cabeçalhos RTP + UDP + IP se tornam muito grandes

para o tamanho dos dados no pacote

RTP e RTCP Compressão de cabeçalho VoIP

Cabeçalhos RTP + UDP + IP se tornam muito grandes para o tamanho dos dados no pacote (40 bytes), cerca de 60% do tamanho do pacote VoIP!

Vários esforços para compressão de cabeçalho CRTP (Compressed) - Gera overhead de processamento

no roteador ECRTP (Enhanced) ROHP (Robust Header Compression) – Mais comum;

funciona como um ZIP (cabeçalho reduz para 3 bytes)

H. 323 Especifica conjunto de protocolos e

procedimentos para comunicação multimídia em redes comutadas por pacotes LANs baseadas em IP; MANs; WANs

Provê mecanismos de áudio, vídeo e dados Versão 2: revisão da anterior para atender aos

requisitos de telefonia IP Família H.32x trata de comunicação multimídia

sobre diferentes tipos de rede Inter-operável com outras redes de comunicação Usos mais comuns: VoIP e videoconferência

H. 323 - Componentes Terminais, Gateways, Gatekeepers e MCUs Terminais

PC ou telefone VoIp Suporta áudio e opcionalmente vídeo e dados Terminais são compatíveis com a família H.32x

Gateways Conecta as redes H.323 a outras redes. Ex. SCN (Todos a telefonia baseada em circuitos, PSTN)

H. 323 - Componentes Gatekeepers - Ponto focal das ligações

Sua presença na rede é opcional (Uma vez na rede, a utilização é obrigatória!)

Serviços de endereçamento, autenticação, cobrança e gerenciamento da banda

Multipoint Control Units (MCU) Suporta conferência de 3 ou mais terminais Negocia entre os terminais para escolher os codecs a

serem utilizados

Componentes são logicamente separados, mas podem estar fisicamente em um equipamento

H. 323 – Zona e Protocolos Zone H.323

É a coleção de terminais, gateways e MCUs controlados por um único gatekeeper.

Inclui pelo menos um terminal. GWs e MCUs opcionais Independente de topologia da rede

Protocolos definidos em H.323 Codecs de áudio Codecs de vídeo H.225 RAS (Registration, Admission and Status) H.225 Call Signaling H.245 Control Signalling RTP/RTCP

H. 323

H. 323 – Codecs Áudio

É o serviço mínimo provido pelo H.323 Todos os terminais precisam suportar ao menos um

codec de áudio (G.711 – 64 kbps) Outros codecs mais eficientes (ver quadro)

Vídeo Como o serviço é opcional, codecs também o serão Se o terminar prover vídeo, precisa suportar ao menos o

codec H.261

H.323 – Codecs de áudio

H. 323 – Procotolos H.225 Registration, Admission and Status (RAS)

Protocolo usado entre term/GK ou GK/GK Registro, admissão, controle de banda e desconexão Sinalização RAS é feita antes dos demais protocolos

H.225 Call Signaling Usado para estabelecer conexão entre dois endpoints Pode ser aberto entre 2 endpoints ou entre PC e GK

H.245 Control Signaling Mensagens de controle fim-a-fim Negociação de capacidades; canais lógicos; controle de

fluxo e outros comandos

RTP e RTCP

H. 323 – Gateways Tradução transparente de H.225 Call Signaling e

H.245 Control Signaling; RTP não é alterado Tradução de formatos de áudio/vídeo também

pode ser realizada Tradução não requerida se formatos são

compatíveis (ex. família H32x)

H. 323 – Gatekeepers Serviços obrigatórios

Address Translation – Tradução de endereços IP para E.164 (números de telefone PSTN)

Admission Control – Quais terminais podem conectar (pode ser nula)

Bandwidth Control – Se um limite de ligações foi atingido, o gatekeeper nega. (pode ser nula)

Zone Management

Serviços opcionais Call-Control Signaling – pode ser controlada pelo

gatekeeper ou diretamente pelos terminais Call Management – Informação sobre ligações ativas

H. 323 – H.225 RAS Usa UDP Gatekeeper discovery

Pode ser estático ou dinâmico (pense em DHCP) Dinâmico: envia mensagem ao endereço Multicast

Endpoint registration Processo onde os terminais entram em uma zona, informando

seu endereço Todo terminal precisa se registrar no GK

Endpoint location Determinação do endereço de transporte de um terminal e seu

alias ou endereço PSTN (E.164)

Outros controles Admissão, controle de banda e desconexão

H. 323 – H.225 Call Signaling Configura a conexão entre endpoints Utiliza TCP Mensagem pode ser trocada diretamente entre

endpoints se: Não há um gatekeeper na rede O Gatekeeper, durante o RAS, instruiu os terminais a

fazê-lo

Gatekeeper-routed ou Direct call signaling

H. 323 – H.245 Control Signaling Mensagens trocadas entre endpoints Usa TCP Troca de capacidades

Troca de informações sobre capacidades de transmissão e recebimento entre os terminais

Logical Channel Signaling Carrega informação de um endpoint para outro ou para

múltiplos. Provê mensagens para abrir ou fechar o canal lógico, que

é unidirecional

H. 323 – Resumo da chamada Passo 1 – registro do terminal no GK via H.225

RAS Passo 2 – Setup da chamada via H.225 Call

Signaling Passo 3 – Setup das capacidades e abertura de

canais lógicos via H.245 Control Signaling Passo 4 – troca de multimídia usando RTP e

RTCP Passo 5 – finalização: H.245; H.225 CS; H.225

RAS

H. 323 – Chamada

SIP – Session Initiation Protocol Protocolo de sinalização para estabelecimento,

modificação e término de sessão entre usuários Oferece vários tipos de serviços para sessão

Localização e Disponibilidade do usuário Recursos do usuário Negociação Gestão e Modificação da sessão

SIPv2 se comunica tanto por TCP quanto por UDP Componentes: Agentes e Servidores de rede

Agentes - Aplicações nas máquinas cliente UAC (Cliente) e UAS (Servidor)

SIP – Servidores Proxy: Encaminha pedidos de chamadas ao

próximo servidor Pode operar stateful (circuit) ou stateless (tcp) Resolve o endereço de host de várias maneiras: DNS,

busca em DB ou retransmite para o próximo proxy

Redirect: Fornece nome e localização do usuário Fornece informações ao cliente para que ele possa

contatar o destinatário

Registrador: Serviço de informação de localidades Utiliza o Session Description Protocol (SDP)

SIP – SDP Descreve sessões de comunicação multimídia no

SIP Provê negociação de tipos de mídia suportados Session Descriptor possui uma série de

valores/atributos para identificação daquela sessão

Não provê o conteúdo em si, só as negociações de conteúdos suportados

SIP – Arquitetura Arquitetura Proxy + Redirect + Registrador provê

grande flexibilidade Endereço do usuário é sempre o mesmo, qualquer que

seja sua localização ou IP, mesmo quando o usuário remoto é móvel

Sessões podem envolver múltiplos participantes Via Multicast; Unicast; ou combinação de ambos

Adequação natural a um ambiente de colaboração Variedade de dados que podem ser transmitidos

Utiliza protocolos RTP/RTCP para transmissão da mídia

SIP – Funcionamento Métodos

Invite – inicia uma sessão ACK – confirmação de invite Cancel – cancelamento Options – negociação das funcionalidades Register – registrar o alias Bye – finaliza sessão

Códigos de resposta derivam do HTTP 1xx até 5xx, mesmo significado 6xx – Classe de erro Global (falha em qualquer server)

SIP – Funcionamento Autenticação

HTTP Digest ou TLS Servidor proxy responde a um primeiro pedido com a

mensagem (407 – Auth required) e o desafio; Após o ACK, o INVITE é reenviado com o mesmo

identificador da chamada

Segurança IPSec; S/MIME e TLS

Aplicações Voz, Vídeo, mensagens instantâneas (MSN) Conferência Ad-hoc, usando RTP e RTCP, sem garantia

de identificação de todos os usuários presentes

SIP – Session Initiation Protocol Usa mensagens de texto

Cabeçalho e sintaxe idênticos ao HTTP

Requer um endereço IP válido Destinatário registra o endereço com o comando SIP

REGISTER Origem usa esse endereço para comunicação

Usa URIs: ex. sip://jose@abc.com.br Host é obrigatório; usuário, porta e outros parâmetros são

optativos Pode ser embutido em páginas Web, e-mail, etc

SIP – Comunicação

SIP header

SIP versus H323 SIP vem ganhando espaço – simplicidade H.323 é mais robusto e complexo

Usa vários protocolos e não é baseado em texto Exige maior esforço de implementação

Forças do H.323 Interoperabilidade com PSTN Videoconferências

H.323 tem menor integração com outros componentes da Internet Não foi inicialmente desenvolvido com foco em internet

Exercícios (Cespe – Pref. Rio Branco/07) A pontuação de qualidade auditiva

segundo o MOS (mean opinion score), definido pela recomendação ITU-T P.862, possui valores de 1 a 5, sendo 1 ótimo e 5 ruim.

O protocolo SIP (session initiated protocol) vem sendo largamente utilizado para o gerenciamento de sessões e trocas de fluxo multimídia entre aplicações. O servidor proxy é um dos componentes da arquitetura de sinalização da especificação SIP.

O formato das mensagens do protocolo SIP são semelhantes ao das mensagens do protocolo HTTP, uma vez que as mesmas são embasadas em texto.

A utilização do padrão de codificação G.711, definido pelo ITU-T, não é recomendado para codificação de voz em redes IP devido a baixa taxa de compressão.

Exercícios (CBM/DF/08 – Cespe) Para emprego da tecnologia VoIP,

voltada para o tráfego de voz sobre redes IP, tem sido considerado, comumente, o emprego dos padrões SIP e H.323, que permite chamadas com mais de dois participantes, usando-se computadores e telefones como pontos terminais, além de admitir a negociação de parâmetros.

(Bacen/2005 – FCC) Para que os terminais de VoIP negociem o algoritmo de compactação de voz, é utilizado, da pilha de protocolos H.323, o protocolo

(A) G.711. (B) H.225. (C) H.245. (D) Q.931. (E) RTCP.

Exercícios (Receita/2005 – Esaf) VoIP é a capacidade de transmitir

conversas por voz pela rede Ethernet local e até mesmo pela rede remota. A voz compartilha o cabo Ethernet com os dados, dispensando a necessidade de um cabo de telefone separado.

(Abin/2004 – Cespe) Os protocolos RTP (real time transport protocol) e RTCP (real time control protocol) foram especificados para controlar a qualidade dos serviços de redes IP, de modo a permitir um transporte de voz de qualidade sobre tais redes.

O gatekeeper é um dispositivo obrigatório para a operação do protocolo H.323, pois tem a responsabilidade de traduzir endereços, gerenciar a largura de banda utilizada e realizar tarifação.

Exercícios (TCU/2005 – Cespe) O protocolo IP, ao descartar, durante operação de

comutação, um pacote de um fluxo de videoconferência, envia ao endereço de destino do pacote descartado uma mensagem de alerta sobre a operação de descarte, para que o destino possa compensar a perda com alguma operação local para manter a continuidade da videoconferência.

Cada terminal especificado no padrão H.323 tem de suportar no mínimo o padrão de codificação de voz G.711.

O gatekeeper, cujas funções incluem a tradução de apelidos H.323 para endereços IP e o gerenciamento de banda, é um dispositivo opcional do H.323.

O real time protocol (RTP) fornece mecanismos para assegurar a entrega de dados a tempo e em ordem, de modo que, mesmo funcionando sobre o user datagram protocol (UDP), o RTP garante a qualidade de serviço (QoS) para aplicações multimídia.

No modelo de serviços diferenciados (DiffServ) para fornecimento de QoS na arquitetura TCP/IP, emprega-se o resource reservation protocol (RSVP) para reservar largura de banda e capacidades de buffers dentro da rede DiffServ.

Exercícios (CGU/08 – Esaf) Cada participante de uma sessão do

protocolo de transporte em tempo real ou RTP (Real Time Transport Protocol) usa um número fixo de endereços de transporte, em uma comunicação unicast, sendo distribuídos da seguinte forma:

a) 2 para o fluxo RTP. b) 1 para o fluxo RTP e 1 para mensagens do protocolo de

controle em tempo real ou RTCP c) 1 para o fluxo RTP e 2 para mensagens RTCP (Real

Time Control Protocol). d) 2 para o fluxo RTP e 1 para mensagens RTCP (Real

Time Control Protocol). e) 2 para fluxos de mensagens RTCP (Real Time Control

Protocol).

Exercícios (Dataprev/2001 – Cespe) Terminais H.323 são entidades

capazes de transmitir e receber, obrigatoriamente, áudio e vídeo (videoconferência) e, opcionalmente, dados (T.120).

Um ambiente H.323 mais completo envolve entidades para controle de registro, admissão e estado (RAS) e controle de recursos de rede, inclusive largura de banda, denominados gatekeepers.

Gateways são conversores de protocolo que permitem a interoperação entre ambientes H.323 e outros ambientes de colaboração via rede.