QUALIDADE DE SERVIÇO EM VOIP (VOZ SOBRE IP)
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MONTES CLAROS – UNIMONTES CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS – CCET DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO – DCC CURSO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO QUALIDADE DE SERVIÇO EM VOIP (VOZ SOBRE IP) ANDERSON FERREIRA GOMES Montes Claros, junho de 2005
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MONTES CLAROS – UNIMONTES
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS – CCET
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO – DCC
CURSO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO
QUALIDADE DE SERVIÇO EM VOIP (VOZ SOBRE IP)
ANDERSON FERREIRA GOMES
Montes Claros, junho de 2005
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MONTES CLAROS – UNIMONTES
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS – CCET
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO – DCC
CURSO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO
QUALIDADE DE SERVIÇO EM VOIP (VOZ SOBRE IP)
Monografia elaborada para conclusão de curso submetido à Universidade Estadual de Montes Claros para a obtenção dos créditos na disciplina de Projeto Orientado a Conclusão de Curso (POCC), no Curso de Sistemas de Informação — Bacharelado
ANDERSON FERREIRA GOMES
Montes Claros, junho de 2005
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MONTES CLAROS – UNIMONTES
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS – CCET
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS DA COMPUTAÇÃO – DCC
CURSO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO
O Projeto Orientado de Conclusão de Curso (POCC): “QUALIDADE DE
SERVIÇO EM VOIP (VOZ SOBRE IP)”, elaborado por ANDERSON FERREIRA
GOMES, foi julgado adequado por todos os membros da Banca Examinadora,
como requisito parcial para obtenção do título de BACHAREL EM SISTEMAS DE
INFORMAÇÃO e aprovado, em sua forma final, pelo Departamento de Ciências da
Computação da Universidade Estadual de Montes Claros.
Montes Claros, 24 de junho de 2005.
Aprovado pela Banca Examinadora constituída pelos seguintes professores:
__________________________________________________ Orientador: Prof. Msc. Antônio Eugênio Silva
__________________________________________________ Avaliador: Prof. Msc. Nilton Alves Maia
__________________________________________________ Avaliador: Profª. Patrícia Takaki Neves
__________________________________________________ Prof. Msc. Luiz Carlos Pires dos Santos
Coordenador de Projetos
SUMÁRIO DEDICATÓRIA ........................................................................................................... i
AGRADECIMENTOS ..................................................................................................ii
LISTA DE FIGURAS ..................................................................................................iii
LISTA DE QUADROS ................................................................................................iv
LISTA DE ABREVIATURAS ....................................................................................... v
RESUMO .................................................................................................................vii
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................... 8
2. ESTRUTURA DE REDE.................................................................................... 12
2.1 MODELO DE REFERÊNCIA TCP/IP ............................................................ 12
2.1.1 CAMADA DE APLICAÇÃO .................................................................... 13
2.1.2 CAMADA DE TRANSPORTE ................................................................ 13
2.1.3 CAMADA DE INTER-REDE ................................................................... 14
2.1.4 CAMADA DE HOST/REDE.................................................................... 15
2.2 O PROTOCOLO IP ..................................................................................... 15
2.3 PROTOCOLOS DE TRANSPORTE (TCP X UDP) ......................................... 16
2.4 PROTOCOLO UDP..................................................................................... 18
2.4.1 CABEÇALHO UDP ............................................................................... 18
2.4.2 PSEUDOCABEÇALHO UDP ................................................................. 19
3. QUALIDADE DE SERVIÇO (QoS) ..................................................................... 20
3.1 CENÁRIO PARA QUALIDADE DE SERVIÇO (QoS) ...................................... 20
3.2 VAZÃO ...................................................................................................... 23
3.3 LATÊNCIA (ATRASO) ................................................................................. 24
3.4 JITTER ...................................................................................................... 26
3.5 PERDAS .................................................................................................... 27
3.6 DISPONIBILIDADE ..................................................................................... 28
3.7 SEGURANÇA............................................................................................. 28
3.8 CONFIABILIDADE ...................................................................................... 29
4. QoS - ALTERNATIVAS TÉCNICAS.................................................................... 30
4.1 CONTROLE E INIBIÇÃO DE CONGESTIONAMENTO................................... 31
4.1.1 FIFO - FIRST IN FIRST OUT ................................................................. 31
4.1.2 ENFILEIRAMENTO FAIR QUEUEING.................................................... 31
4.1.3 ENFILEIRAMENTO PRIORITY QUEUEING............................................ 32
4.1.4 ENFILEIRAMENTO CUSTOM QUEUEING ............................................. 32
4.1.5 A DETECÇÃO RANDOM EARLY DETECTION (RED) ............................. 33
4.2 EFICIÊNCIA EM CONEXÕES ...................................................................... 34
4.2.1 COMPRESSÃO RTP ............................................................................ 34
4.2.2 FRAGMENTAÇÃO E INTERLEAVING.................................................... 35
4.3 CONFORMIDADE E POLICIAMENTO DE TRÁFEGO.................................... 35
4.3.1 GENERIC TRAFFIC SHAPING .............................................................. 35
4.3.2 POLICIAMENTO OU COMMITTED ACCESS RATE (CAR) ...................... 36
5. VOZ SOBRE IP (VoIP)...................................................................................... 38
5.1 LIMITAÇÕES DAS REDES IP PARA TRANSMISSÃO DE VOZ ...................... 40
5.1.1 FONTES DE ATRASO EM TRANSMISSÃO DE VOZ EM REDES DE
PACOTE ...................................................................................................... 42
5.2 A ARQUITETURA DO PADRÃO H.323......................................................... 44
5.2.1 PILHA DE PROTOCOLOS .................................................................... 45
5.3 PROTOCOLOS PARA TEMPO REAL........................................................... 50
5.3.1 REAL-TIME TRANSPORT PROTOCOL (RTP)........................................ 50
5.3.2 REAL-TIME TRANSPORT CONTROL PROTOCOL (RTCP) .................... 51
6. PROTOCOLO SIP E AS TENDÊNCIAS FUTURAS ............................................. 52
6.1 SIP X H.323................................................................................................ 53
7. CONCLUSÕES ................................................................................................ 56
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFIAS ...................................................................... 59
i
DEDICATÓRIA
Dedico esse trabalho à minha família e
aos meus professores e a todos os que
me ajudaram até aqui.
ii
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar, a Deus, por tudo.
Ao meu orientador, professor Msc. Antônio Eugênio Silva, pela orientação
sempre oportuna, esclarecedora, inteligente e pelo seu incentivo, fazendo com que este
trabalho pudesse ser realizado.
Aos meus pais, Floriano e Neide, pela compreensão, apoio e carinho durante
estes anos de estudo.
A minha namorada Caísa e meus irmãos Flávia e Daniel pela compreensão e
dedicação durante estes anos de estudo.
Aos professores Nilton Alves Maia e Patrícia Takaki Neves que aceitaram de
fazer parte da banca examinadora deste projeto.
Aos meus colegas de curso, em especial Carlos Eduardo, Rafael Gomes,
Laércio Igor, Paulo Américo e Pablo Nogueira que me ajudaram nos trabalhos e assim
como eu dedicaram parte de suas vidas para concretização de um sonho.
A todos aqueles que, direta ou indiretamente, contribuíram para a realização
deste trabalho.
iii
LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Forma geral de um pacote IPv6 ................................................................. 16
Figura 2 - Exemplo de conexão TCP ......................................................................... 17
Figura 3 - Equipamentos e componentes envolvidos na QoS....................................... 21
Figura 4 - Modelo para QoS...................................................................................... 21
Figura 5 – Características e utilização da telefonia pública .......................................... 22
Figura 6 – Características e utilização da telefonia IP.................................................. 23
Figura 7 - Variação de tempo da chegada dos pacotes no destino ............................... 27
Figura 8 - Encapsulamento de pacote VoIP................................................................ 34
Figura 9 – Rede telefônica tradicional usa canais TDM para transporte da voz.............. 38
Figura 10 - Codificação e encapsulamento do fluxo de voz em pacotes IP. ................... 40
Figura 11 - Dados RTP em um pacote IP ................................................................... 50
iv
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Camadas do Modelo de Referência TCP/IP............................................... 12
Quadro 2 - Parâmetros para qualidade de serviço da camada de transporte ................. 14
Quadro 3 - Vazão Típica de Aplicações em Rede ....................................................... 23
Quadro 5 - Comparação entre CAR e GTS ................................................................ 37
Quadro 6 – Comparação entre diferentes tecnologias e seus protocolos ...................... 38
Quadro 7 – Comparativo das tecnologias de rede para a transmissão de voz ............... 39
Quadro 8 - Pilha de protocolos – H.323 ..................................................................... 45
Quadro 9 - Comparativo entre H.323 e SIP ................................................................ 53
v
LISTA DE ABREVIATURAS
ATM - Asyncronous Transfer Mode
ARPANET - Advanced Research Projects Agency
BECN - Backward Explicit Congestion Notification
CAR - Committed Access Rate
CQ - Custom Queueing
DE - Discard Eligible
DIFFSERV - Differentiated Services
DoS - Denial-ofService
FECN - Forward Explicit Congestion Notification
FIFO - FIRST IN FIRST OUT
FTP - File Transfer Protocol
GTS - Generic Traffic Shaping
HTTP - Hypertext Transport Protocol
IETF - Internet Engineering Task Force
INTSERV - Integrated Services
IP - Internet Protocol
ITU-T – International Telecom Union
Kbps - Kilo bits por segundo
LAN - Local Area Network
LFI - Link Fragmentation and Interleaving
MAN – Metropolitan Area Network
Mbps – Mega bits por segundo
MCU – Multipoint Control Unit
MPLS - MultiProtocol Label Switching
MTU - Maximum Transfer Unit
Mseg – Milissegundos
PABX - Private Automatic Branch Exchange
PGP - Pretty Good Privacy
PQ - Priority Queueing
PSTN - Public Switched Telefone Network
PTT - Pontos de Troca de Tráfego
QoS – Qualidade de Serviço
vi
RAS - Regitration Admission and Status
RDSI - Rede Integrada de Serviços Digitais
RED - Random Early Detection
RSVP - Resource reSerVation Protocol
RTCP - Real Time Control Protocol
RTP - Real Time Protocol
RTPC - Rede telefônica Comutada
SIP - Session Iniciation Protocol
SIPP - Simple Internet Protocol Plus
SBM - Subnet Bandwidth Management
SMDS - Switched Multimegabit Data Service
SMTP - Simple Mail Transfer Protocol
SNMP - Simple Network Management Protocol
SSL - Secure Sockets Layer
TCP - Transmission Control Protocol
TDM -Time Division Multiplexing
UDP - User Datagram Protocol
VoIP - Voz sobre IP
WAN – World Area Network
WFQ - Weighted Fair Queueing
WRED - Weighted Random Early Detection
vii
RESUMO
A crescente popularidade da Internet como meio de baixo custo tem despertado
o interesse por tecnologias para a comunicação de voz utilizando o protocolo IP (Internet
Protocol). Esta Monografia apresenta um estudo sobre a tecnologia de transmissão de
voz IP, suas aplicabilidades, e mecanismos para implantação de qualidade de serviço na
mesma. A qualidade de serviço em redes é a capacidade de diferenciar entre tráfego e
tipo de serviços, com as classes de tráfego recebendo diferentes tratamentos por parte do
usuário. Apresenta-se ainda limitações das redes IP para a transmissão de voz e destaca-
se as tecnologias desenvolvidas com o objetivo de contornar estas limitações. Os padrões
que envolvem a transmissão da voz também são apresentados, além de tendências
futuras da tecnologia VoIP e suas vantagens em relação à telefonia convencional.
8
1. INTRODUÇÃO
Ao longo das três últimas décadas do século XX e início desse século XXI, a
prestação de serviços de telecomunicações em todo o mundo sofreu algumas profundas
mudanças. Houveram alterações significativas na estrutura institucional que servia de
base para a prestação de serviços de telecomunicações, principalmente após as
privatizações desses setores que antes pertenciam aos governos de estado. Porém, seria
errôneo, contudo avaliar as transformações enfrentadas pelo setor apenas a partir do
campo institucional. Essa mudança, na verdade, caminhou lado a lado com a tecnologia.
Primeiro a tecnologia digital, e depois o emprego da fibra óptica promoveram uma
verdadeira revolução na capacidade e velocidade de transmissão de informações através
do sistema, seja por meio de voz, sons, dados ou imagem. Alguns especialistas
identificaram, em meio às transformações tecnológicas, o início de uma nova era,
propagada na mídia como a era da tecnologia da informação. A disseminação do uso do
computador pessoal, ao longo dos anos 80, bem como a chegada da Internet, em meados
dos anos 90, coroaram a chegada desses novos tempos.
Aqui no Brasil, as transformações institucionais e tecnológicas só tiveram início a
partir dos anos 90. Na parte institucional, a principal transformação consistiu no fim do
monopólio público sobre o setor e na conseqüente privatização do sistema brasileiro de
telecomunicações. Quanto à tecnologia, a retomada do nível de investimentos do setor
vem permitindo ao país ampliar e modernizar sua infra-estrutura de telecomunicações,
mediante inclusive o emprego de tecnologias de ponta como a fibra óptica.
Com esse avanço tecnológico, surgiram também diversas mídias de
comunicação e conseqüentemente para viabilizar sua implantação, torná-las disponíveis
aos usuários e operacionalizáveis, foram necessárias criações de redes distintas, com
características distintas das mídias na qual seriam transmitidas. Como por exemplo, têm-
se as redes telefônicas para o tráfego de voz; as redes de comutação de pacotes para o
tráfego de dados; e as redes de difusão ou a cabo, incluindo nesta, o vídeo, rádio e a
televisão. Cada uma dessas redes foi projetada para aplicações específicas e se adaptam
mal a outros tipos de serviços.
Com o grande desenvolvimento da tecnologia digital, os diferentes tipos de
informação passam a ser processados de forma integrada, dando origem aos sistemas
multimídia. O avanço dos equipamentos para o processamento e armazenamento de
informações associado ao sistema de telecomunicações, motivou o conceito de redes de
9
serviços integrados, dando origem às redes convergentes, ou seja, trata-se da redução
para uma única conexão de rede, capaz de fornecer todos os serviços de
telecomunicações, como tráfego de voz, dados, vídeo, rádio e televisão. Esse novo
conceito permite a redução dos custos de instalação, de manutenção e de gerência de
redes paralelas, cada uma, dedicada ao suporte de um único serviço, necessitando assim
de equipamentos, técnicas e de recursos humanos específicos [SILVA, 2003].
Para que essa integração seja possível de acontecer, faz-se necessário
introduzir mecanismos adicionais que permitam suportar os novos serviços com qualidade
assegurada, a isso damos o nome de Quality of Service (QoS), em português, Qualidade
de Serviço. Trata-se da idéia de que a taxa de transmissão, a taxa de erro, e outras
características de tráfego, como o atraso sofrido pelos pacotes ou células de um fluxo de
dados, possam ser medidos, melhoradas e, em alguns casos, garantidas de modo a
atender às expectativas dos diversos perfis de usuários. Essas expectativas tendem a ser
mais bem observadas quando se diz respeito ao tráfego de voz em redes de pacotes
[SILVA, 2003].
A voz é um dos principais meios de comunicação e é um instrumento crucial
para a troca de informações entre pessoas. Como muitas vezes as pessoas não se
encontram no mesmo lugar, há uma necessidade de que ocorra uma conversação mesmo
que à distância.
Porém realizar conversações telefônicas a longa distância através da rede de
telefonia atual tem um custo bastante elevado se comparado com ligações de curta
distância. Este trabalho visa mostrar que tais ligações podem continuar sendo feitas,
porém com a utilização de técnicas para a implantação de qualidade de serviço em uma
tecnologia denominada Voz sobre IP.
Com a digitalização da rede telefônica, a voz passou a ser transmitida como
dados entre as centrais telefônicas, mantendo-se, ainda, a rede de terminais analógicos
para os usuários finais. A tecnologia de Voz sobre IP permite a digitalização e codificação
da voz e o empacotamento em pacotes de dados IP (Internet Protocol) para a
transmissão em uma rede que utilize TCP/IP, (arquitetura que tem como objetivo ligar
várias redes e será apresentada com maiores detalhes no capítulo 2). O IP é um
protocolo mundialmente utilizado que tem como característica principal o envio de dados
através de pacotes [SITOLINO, 1999].
As operadoras de telefonia convencional, por causa de seu histórico
monopolista e do controle exercido pelo governo federal, ainda que privatizadas, tendem
10
a ser mais lentas na implantação dessa nova tecnologia, que deverão ser analisadas
quanto aos impactos na rede instalada, bem como o estágio de padronização da
tecnologia. E ao que se observa hoje, para se manterem no mercado, essas empresas
operadoras de serviços, poderão optar pela convergência de suas redes, devido: [SILVA,
2003]
• aos novos negócios com a Voz sobre IP (Voice over IP – VoIP), que segundo
os analistas, ocupará em torno de 15% do tráfego de voz de longa distância;
• às desregulamentações atuais e previstas para o setor; e
• aos custos de implantação de telefonia sobre as tradicionais centrais de
comutação de circuito versus os custos de implantação da telefonia sobre as
redes de comutação de pacotes.
Contudo, tráfego de dados e voz são de difícil conciliação em uma única rede,
pois possuem características bem diferentes. Enquanto no primeiro caso o tráfego tende a
ser em rajada (burst), consumindo grande banda passante em curtos intervalos de tempo,
no segundo, o tráfego de voz exige baixos atrasos fim-a-fim, provocando um entrave
quanto à integração generalizada de serviços com requisitos de tempo real. As redes de
voz não suportam, de forma eficiente, as rajadas do tráfego de dados e possuem baixo
aproveitamento de banda, pois trabalham com multiplexação determinísticas
(Multiplexação por Divisão de Tempo – TDM1), porém apresentam atrasos baixos e com
variações (jitter) pequenas.
Para resolver o problema da integração generalizada de serviços e atender o
transporte de tráfegos com taxa de bits constantes, isso com requisitos de QoS nas redes
convergentes de banda larga, tem-se atualmente no mercado das telecomunicações, as
redes estatísticas (Asynchronous Transfer Mode) ATM, com diversas classes de serviços,
as redes IP (Internet Protocol) com serviços diferenciados/integrados e o (Multiprotocol
Label Switching) MPLS, bem como o misto das redes IP e ATM utilizando mapeamento
de serviços.
Esse trabalho apresenta um estudo sobre a tecnologia de transmissão de Voz
sobre IP e mecanismos para implantação de qualidade de serviço na mesma, bem como,
controle e inibição de congestionamento, técnicas de controle de tráfego com
classificação e priorização de fluxo. Existem ainda limitações das redes IP para
1 Time Division Multiplexing (TDM): É um sistema de multiplexação onde cada canal de informação é associado à um intervalo de tempo, para que se possa fazer esta associação, cada canal de informação é informação em buffer de memória.
11
transmissão de voz e nesse trabalho destacam-se as tecnologias desenvolvidas com o
objetivo de contornar estas limitações e os padrões que envolvem a transmissão de Voz
sobre IP. Além de apresentar alternativas para utilização da infra-estrutura de rede na
comunicação entre usuários que não dependa da infra-estrutura de telefonia tradicional,
possibilitando que empresas, por exemplo, obtenham uma sensível redução de custos
operacionais. Assim com base nas pesquisas realizadas faze-se um questionamento:
• a qualidade de serviço em Voz sobre IP trás realmente vantagens para
os usuários em relação à telefonia convencional, ou as limitações dessa
tecnologia são mais poderosas e não deixam com que essa ela seja
disseminada?
Para facilitar o entendimento quanto à linha de raciocínio a ser seguida no
trabalho, o segundo capítulo apresenta a estrutura da rede TCP/IP e seus protocolos, em
que trafegam as aplicações de Voz sobre IP, tendo como destaque à camada de
transporte e suas funcionalidades.
O terceiro capítulo há as fundamentações da qualidade de serviço, que é um
fator determinante na implantação de uma solução de Voz sobre IP. Tal capítulo
apresenta também os parâmetros para se aplicar à qualidade de serviço.
O quarto capítulo descreve algumas das principais alternativas técnicas para se
implantar, controlar e garantir a qualidade de serviço em diversas redes e em específico
na transmissão de pacotes.
No quinto capítulo apresenta uma fundamentação do tema VoIP, demonstrando
uma visão geral do assunto, além de alguns protocolos que são essenciais para a
transmissão da voz. O capítulo também informa como eles interagem entre si e em que
casos devem ser utilizados para melhorar a qualidade do serviço de voz.
No sexto capítulo são apresentadas algumas breves considerações quanto a um
novo protocolo que poderá futuramente vir a substituir o padrão atual H.323. Apresenta-se
novas tendências quanto sua utilização e compara-se as características dos dois
protocolos.
Por fim, no sétimo capítulo é onde são descritas as conclusões.
12
2. ESTRUTURA DE REDE
Para ser transmitida a partir de uma rede para o seu ponto de destino, a voz
necessita ser digitalizada. Tal transmissão envolve a utilização de vários protocolos de
comunicação.
A seguir serão apresentadas algumas características e funcionalidades de
alguns dos principais protocolos de comunicação do modelo de referência TCP/IP,
principalmente no que diz respeito aos protocolos da camada de transporte e de inter-
redes.
2.1 MODELO DE REFERÊNCIA TCP/IP
O Modelo de Referência TCP/IP, cujo nome vem de seus dois mais conhecidos
protocolos TCP e IP, foi criado com o objetivo de ligar várias redes, pois houve vários
problemas quando surgiram redes de satélite e rádio que deveriam se comunicar com a
Advanced Research Projects Agency (ARPANET)2. [TANENBAUM, 1997]
Tal modelo é decomposto em quatro camadas como mostra o quadro 1.
Quadro 1 - Camadas do Modelo de Referência TCP/IP
TELNET FTP HTTP SNMP RTP SMTP APLICAÇÃO
TCP UDP TRANSPORTE
IP INTER-REDE
LAN HOST/REDE
Fonte: Redes de Computadores [TANENBAUM, 1997]
2 ARPANET – Rede desenvolvida pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos durante a década de 70, a Arpanet foi criada para resistir a ataques nucleares com o objetivo de investigar a utilidade da comunicação de dados em alta velocidade para fins militares. Essa rede foi colocada fora de operação em 1990.
13
2.1.1 CAMADA DE APLICAÇÃO
A camada de aplicação contém os protocolos de alto nível (TELNET, FTP,
HTTP, RTP, SMTP, SNMP, etc) e é responsável por fazer a comunicação entre os
aplicativos e a camada de transporte. Com exceção do protocolo RTP (Real Time
Protocol) esses protocolos não serão detalhados neste trabalho. Maiores referências
serão encontradas em [TANENBAUM, 1997].
A comunicação com a camada de transporte é feita através da utilização de
portas. Cada protocolo da camada de aplicação usa uma mesma porta. Por exemplo, o
protocolo HTTP utiliza como padrão a porta 80.
A porta permite que o protocolo da camada de transporte tenha conhecimento
sobre o tipo do conteúdo contido no pacote de dados. Assim o pacote chegando ao
receptor ficará fácil identificar a qual protocolo da camada de aplicação ele deverá ser
entregue.
2.1.2 CAMADA DE TRANSPORTE
Esta camada é responsável por pegar os dados vindos da camada de aplicação
e transformá-los em pacotes que posteriormente serão entregues à camada de Inter-rede.
Seu principal objetivo é oferecer um serviço confiável e eficiente a seus usuários.
Dois protocolos operam nesta camada, são eles: TCP (Transmission Control
Protocol) e UDP (User Datagram Protocol). O primeiro é um protocolo bastante confiável
que permite a entrega dos pacotes de dados sem erro. Já o segundo, o UDP, é um
protocolo menos confiável que o TCP, porém é amplamente utilizando quando a entrega
imediata dos dados é mais importante que sua entrega precisa.
Algumas das funções da camada de transporte estão listadas abaixo:
Checagem de erros fim-a-fim: O mecanismo que verifica a integridade dos
dados que foram recebidos é o que chamamos de checagem de erro. No caso da
checagem de erro fim-a-fim tal verificação só é feita quando o pacote chega ao seu
destino e não durante o caminho que o mesmo percorre.
Estabelecimento / Encerramento de conexões (quando houver): O
estabelecimento de uma conexão funciona como um acordo entre o transmissor e o
receptor. O transmissor envia um pacote requisitando uma conexão e quando o receptor
recebe tal pacote pode então aceitar e estabelecer a conexão. A partir daí os canais do
14
caminho ou rota que foi usado para a transmissão do pacote são reservados e todos os
outros pacotes devem ser transmitidos por este mesmo caminho.
Já o encerramento da conexão é a liberação dos canais que compunham o
caminho que estava reservado para o transmissor e receptor.
Garantir a qualidade de serviço (QoS – Quality of Service): Segundo
[TANENBAUM, 1997] a qualidade de serviço pode ser definida por um número específico
de parâmetros. Como mostra o quadro 2.
Quadro 2 - Parâmetros para qualidade de serviço da camada de transporte
Retardo no estabelecimento da conexão
Probabilidade de falha no estabelecimento da conexão
Throughput
Retardo de trânsito
Taxa de erros residuais
Proteção
Prioridade
Resiliência
Fonte: Redes de Computadores [TANENBAUM, 1997]
Os usuários dos serviços da camada de transporte podem determinar os valores
preferenciais, os aceitáveis e os mínimos de cada parâmetro, a fim de transmitir os dados
com certa qualidade.
2.1.3 CAMADA DE INTER-REDE
Esta camada além de ser responsável por evitar congestionamentos e realizar o
roteamento dos pacotes de dados, permite que tais pacotes sejam entregues em qualquer
que seja a rede.
Um exemplo de protocolo constituinte desta camada é o IP (Internet Protocol),
que será discutido em detalhes na sessão 2.2.
15
2.1.4 CAMADA DE HOST/REDE
É a camada responsável pela transmissão dos pacotes recebidos da camada
superior (Inter-Rede) na rede física. É formada por placas, cabos, etc.
2.2 O PROTOCOLO IP
O protocolo IP foi projetado visando conseguir transportar dados entre os mais
diferentes tipos de redes. Sua tarefa é fornecer a melhor forma de transportar pacotes de
dados da origem para o destino, independente das redes onde ambos estejam. Cada
pacote é transmitido e, caso preciso, pode ser dividido em pedaços menores no meio do
caminho. Isso se deve ao fato de uma rede não conseguir transportar o pacote com o
tamanho original.
Outra característica do IP é que se trata de um protocolo não orientado à
conexão e também não é responsável por verificar se um pacote que foi enviado chegou
ou não ao seu destino, ficando esta função a cargo do protocolo de transporte, caso
necessário.
O protocolo IP, apesar de possuir uma grande escalabilidade, sofreu algumas
mudanças e foi evoluindo de acordo com o tempo. Tendo com isso várias versões, entre
as quais a versão 4 (IPv4) e a versão 6 (IPv6).
Durante um bom tempo os recursos do IPv4 foram utilizados de forma
satisfatória. Porém com a explosão da Internet na década de 90, e o inúmero crescimento
de equipamentos que deveriam se conectar a Internet, surgiu um problema. O número de
endereços IP logo estaria esgotado, não suportando a demanda.
Com esse problema em vista a Internet Engineering Task Force (IETF) começou
a trabalhar em uma nova versão do IP, já na década de 90. Os principais objetivos, entre
outros, da nova versão do IP eram:
• possuir um número quase inesgotável de endereços IP;
• reduzir o esforço necessário para o roteamento dos pacotes IP, melhorando
assim o throughput;
• diminuir o tamanho das tabelas de roteamento;
• oferecer uma segurança maior em relação ao IPv4;
16
• aumentar a importância da informação sobre o tipo de serviço, principalmente
para os serviços de tempo real;
• possibilitar a evolução do protocolo;
• possibilitar a compatibilidade entre a nova versão e o IPv4.
Um problema fundamental na arquitetura Internet é que o IP possui o esquema
de endereçamento de 4 bytes, e conseqüentemente está ficando sem endereços. Suas
classes3 (principalmente a Classe B) consomem grandes parcelas de faixa de endereços
IP e um número grande de organizações possui esse tipo de endereço. Uma solução
proposta pela Internet Engineering Task Force (IETF) é a expansão da faixa de endereços
IP de 4 para 16 bytes, o chamado Simple Internet Protocol Plus (SIPP), mais conhecida
como IPv6 [REKHTER et al., 1996]. Um pacote IP possui um cabeçalho fixo (obrigatório),
zero ou mais cabeçalhos de extensão e os dados, como se pode verificar na Figura 1.
Opcional
Cabeçalho
Fixo
Cabeçalho
de Extensão
1
... Cabeçalho de
Extensão 6 Dados...
Figura 1 - Forma geral de um pacote IPv6
2.3 PROTOCOLOS DE TRANSPORTE (TCP X UDP)
O Transmission Control Protocol (TCP) trata-se de um protocolo orientado à
conexão e foi projetado especialmente para manter a transmissão dos dados confiável
mesmo o meio não sendo muito confiável. É atualmente o protocolo mais utilizado na
Internet para a transmissão de arquivos.
O User Datragram Protocol (UDP) trata-se de um protocolo que não é orientado
à conexão. Ele oferece uma maneira de as aplicações enviarem pacotes IP brutos
encapsulados sem precisar realizar uma conexão. Porém não garante a entrega dos
pacotes em sua origem.
3 Os endereços são constituídos por uma palavra de 32 bits, sendo estruturados em classes de modo a identificar a rede e a estação dentro das quais se refere o endereço em questão.
17
Ambos os protocolos estão situados na camada de transporte do modelo de
referência TCP/IP. O primeiro (TCP), por ser orientado à conexão, apresenta uma maior
confiabilidade na entrega dos dados. Já o segundo (UDP) é mais simples e permite que
os dados sejam transmitidos com uma maior velocidade, porém sacrificando a
confiabilidade.
O TCP também é responsável pelo controle de erro (fim-a-fim) e de fluxo. Além
de possuir várias outras características, como: comunicação full-duplex4 fim-a-fim,
ordenação de mensagens, multiplexação de IP (utilizando várias portas), etc.
A conexão é caracterizada pelo par: (endereço origem, porta origem) e
(endereço destino, porta destino).
Figura 2 - Exemplo de conexão TCP
Já o protocolo UDP é ideal para aplicações em tempo-real que desejam
transmitir áudio e vídeo. Como tais aplicações são sensíveis ao atraso, não faz sentido
preocupar-se com a correção dos pacotes, pois tempo será gasto nessa correção,
gerando assim um atraso na entrega dos pacotes. O importante para essas aplicações é
o pacote chegar o mais rápido possível.
Como as aplicações de voz em tempo-real são sensíveis ao atraso, torna-se
claro então que o protocolo UDP é o ideal para aplicações de voz sobre IP (VoIP). Tal
protocolo é visto com mais detalhes no próximo item.
4 Full-Duplex: Transmissão de dados simultânea em ambas as direções.
18
2.4 PROTOCOLO UDP
O UDP trata-se de um protocolo não orientado à conexão, não confiável, porém
muito simples e rápido. É ideal para aplicações que necessitam de velocidade e não de
muita confiança. Como, por exemplo, algumas aplicações em tempo-real (excluindo as
aplicações críticas, que exigem bastante confiabilidade).
Um pacote UDP é dividido em duas partes: o cabeçalho UDP e os dados em si.
Existe também um pseudocabeçalho utilizado para realizar a soma de verificação do
datagrama UDP. Utiliza-se para esta finalidade alguns campos do datagrama IP, como o
campo de origem e destino.
2.4.1 CABEÇALHO UDP
O cabeçalho está dividido em quatro campos de 2 bytes. São os seguintes:
• porta de origem UDP (Source Port): Campo opcional de 2 bytes que indica
qual a porta utilizada pela aplicação origem. Quando não utilizado recebe o
valor zero.
• porta de destino UDP (Destination Port): Campo de 2 bytes que possui a porta
da aplicação de destino. Serve para que o UDP consiga demultiplexar os
datagramas entre os processos que esperam para recebê-los. Tais processos
podem se encontrar em um mesmo host.
• comprimento de mensagem UDP (Length): Tal campo tem o tamanho de 2
bytes e possui a funcionalidade de marcar a quantidade de bytes do
datagrama UDP, incluindo o cabeçalho e os dados. Isto quer dizer que o valor
mínimo que este campo terá será 8 bytes (tamanho do cabeçalho UDP).
• soma de verificação UDP (Checksum): Campo de 2 bytes que serve para
guardar o valor proveniente do cálculo da soma de verificação. Tal soma serve
para corrigir eventuais erros que podem ocorrer durante a comunicação. O
cálculo desta soma de verificação é opcional. Caso o cálculo não seja feito
atribui-se o valor zero para o campo. Este campo é opcional para tornar
possível transmitir os datagramas com um menor overhead5.
5 São os bits de controle que são enviados no pacote e que não fazem parte dos dados. Overhead = nº de bits de controle ÷ nº de bits transmitidos.
19
2.4.2 PSEUDOCABEÇALHO UDP
A soma de verificação do datagrama UDP não utiliza apenas os dados
provenientes do cabeçalho UDP, ela requer que seja adicionado um pseudocabeçalho.
Tal pseudocabeçalho não é transmitido no datagrama UDP.
A utilização deste pseudocabeçalho tem como objetivo verificar se o pacote UDP
chegou ao seu destino correto. Para isso além de ser necessário conhecer a porta de
destino será necessário também conhecer o endereço de destino (contido no datagrama
IP). Tal informação deve então ser adicionada ao pseudocabeçalho para, desta forma,
realizar o cálculo da soma de verificação.
Vale ressaltar que esta opção de cálculo da soma de verificação deverá ser
utilizada somente em aplicações que requeiram um pouco mais de confiabilidade e não
velocidade, pois isso deixará o processo bem mais lento.
20
3. QUALIDADE DE SERVIÇO (QoS)
A expressão qualidade de serviço (Quality of Service – QoS) pode oferecer
margem a diferentes tipos de interpretações e definições. No entanto, existe um certo
consenso que parece praticamente todas as definições de QoS que é a característica de
diferenciar entre tráfego e tipo de serviços, para que o usuário possa tratar uma ou mais
classes de tráfego diferente das demais. Um determinado serviço pode ser caracterizado
como possuindo um certo grau de qualidade quando atender às exigências de um
determinado patamar de qualidade, especificado segundo um conjunto de parâmetros
mensuráveis.
A qualidade de serviço (QoS) nas redes IP é um aspecto operacional
fundamental para o desempenho fim-a-fim das novas aplicações (VoIP, multimídia, etc).
Assim sendo, é importante o entendimento dos seus princípios, parâmetros, mecanismos,
algoritmos e protocolos desenvolvidos e utilizados para a obtenção de uma QoS. A
obtenção de uma QoS adequada é um requisito de operação da rede e suas
componentes para viabilizar a operação com qualidade de uma aplicação.
Inicialmente, é necessário considerar que não são todas as aplicações que
realmente necessitam de garantias fortes e rígidas de qualidade de serviço (QoS) para
que seu desempenho seja satisfatório. No mínimo, as aplicações sempre precisam de
vazão (banda) e, assim sendo, este é o parâmetro mais básico e certamente mais
presente nas especificações de QoS. Este parâmetro da qualidade de serviço é
normalmente considerado durante a fase de projeto e implantação da rede e corresponde
a um domínio de conhecimento bem discutido e relatado na literatura técnica.
3.1 CENÁRIO PARA QUALIDADE DE SERVIÇO (QoS)
Numa rede IP a qualidade de serviço consiste num mecanismo fim-a-fim (host de
origem a host de destino) de garantia de entrega das informações (pacotes). Assim
sendo, a implementação da garantia de QoS pela rede implica em atuar nos
equipamentos envolvidos na comunicação fim-a-fim visando o controle dos parâmetros de
QoS.
Os parâmetros (atrasos, jitter, dentre outros) que devem ser controlados visando
a obtenção da qualidade de serviço não são, infelizmente, localizados num único
equipamento ou componente da rede. A figura 3 ilustra um exemplo de situação onde na
21
rede tem-se equipamentos tipo LAN Switch, roteadores, gateways, pois passou da
utilização da telefonia pública (comutação de circuitos) para a telefonia de Voz sobre IP
(comutação de pacotes).
Os mecanismos de QoS devem atuar nestes equipamentos de forma cooperada,
juntamente com as camadas de protocolo e entidades. Uma das atribuições dos gerentes
de Tecnologia da Informação (TI) é justamente a escolha e implementação adequada dos
mecanismos de QoS discutidos adiante num cenário como o da figura 3.
Figura 3 - Equipamentos e componentes envolvidos na QoS
O já se deve ter percebido o principal objetivo da QoS é priorizar o tráfego
interativo sensível a retardo, em detrimento ao tráfego referente à transferência de
arquivos, que não é sensível a retardo, como é possível perceber no modelo da figura 4 a
seguir:
Figura 4 - Modelo para QoS
22
A qualidade de serviço deve ser fim-a-fim, ou seja, considerando o modelo
acima, o tráfego tem que ser tratado inicialmente na rede local (LAN) de origem, depois
no próprio roteador (controle de descarte de pacotes, por exemplo), posteriormente nas
World Area Network – WAN (conexões de longa distância) e roteadores intermediários, no
roteador destino, e finalmente na rede local destino.
Os atrasos de comunicação e as perdas de pacotes influenciam na interatividade
dos usuários e na qualidade da aplicação. Considerando números, se esta aplicação gera
uma vazão (fluxo de dados) de 64 Kbps, mesmo a utilização de uma Linha Privada (LP)
em rede WAN de 256 Kbps pode não ser suficiente. Neste caso, os atrasos e perdas
decorrentes da operação podem prejudicar a qualidade da aplicação. Diz-se então que a
aplicação exige uma qualidade de serviço da rede.
Na uma telefonia pública atual o desperdício de banda é muito grande como
mostra na figura 5, com uma utilização de 50 a 60% (por cento), apesar de não haver
congestionamento, pois a banda é garantida.
Figura 5 – Características e utilização da telefonia pública
Já na tecnologia IP existe uma alta eficiência de banda, pois a banda é
compartilhada, e a utilização do meio é de 90 a 95% (por cento) com na figura 6, mas por
outro lado, existem atrasos variáveis na entrega de pacotes, surgindo aí a necessidade de
um controle rigoroso em serviços como o da seleção do tráfego de pacotes e a prioridade
dos mesmos.
23
Figura 6 – Características e utilização da telefonia IP
3.2 VAZÃO
A vazão (banda) é o parâmetro mais básico de QoS e é necessário para a
operação adequada de qualquer aplicação.
Em termos práticos as aplicações geram vazões que devem ser atendidas pela
rede. O quadro 3 em seguida ilustra a vazão típica de algumas aplicações:
Quadro 3 - Vazão Típica de Aplicações em Rede
Aplicação Vazão (típica)
Aplicações Transacionais 1 Kbps a 50
Kbps
Quadro Branco (Whiteboard) 10 Kbps a 100 Kbps
Voz 10 Kbps a 120 Kbps
Aplicações Web (WWW) 10 Kbps a 500 Kbps
Transferência de Arquivos (Grandes) 10 Kbps a 1 Mbps
Vídeo (Streaming) 100 Kbps a 1 Mbps
Aplicação Conferência 500 Kbps a 1 Mbps
Vídeo MPEG 1 Mbps a 10 Mbps
Aplicação Imagens Médicas 10 Mbps a 100 Mbps
Aplicação Realidade Virtual 80 Mbps a 150 Mbps
Fonte: Análise de Qualidade de Serviço em Redes [SILVA, 2004]
24
Como discutido, o atendimento do requisito vazão para a qualidade de serviço é
um dos aspectos levados em conta no projeto da rede.
3.3 LATÊNCIA (ATRASO)
A latência e o atraso são parâmetros importantes para a qualidade de serviço
das aplicações. Ambos os termos podem ser utilizados na especificação de QoS, embora
o termo "latência" seja convencionalmente mais utilizado para equipamentos e o termo
"atraso" seja mais utilizado com as transmissões de dados (P. ex.: atrasos de
transmissão, atrasos de propagação).
De maneira geral, a latência da rede pode ser entendida como o somatório dos
atrasos impostos pela rede e equipamentos utilizados na comunicação. Do ponto de vista
da aplicação, a latência (atrasos) resulta em um tempo de resposta (tempo de entrega da
informação – p. ex. pacotes) para a aplicação.
Os principais fatores que influenciam na latência de uma rede são os seguintes:
• atraso de propagação (Propagation Delay);
• velocidade de transmissão e
• processamento nos equipamentos.
O atraso de propagação corresponde ao tempo necessário para a propagação
do sinal elétrico ou propagação do sinal óptico no meio sendo utilizado (fibras ópticas,
satélite, coaxial e outros) e é um parâmetro imutável onde o gerente de rede não tem
nenhuma influência. O quadro 4 em seguida ilustra a título de exemplo alguns valores
para o atraso de propagação entre cidades numa rede WAN utilizando fibras ópticas
como meio físico de comunicação.
Quadro 4 - Atrasos de Propagação - Fibras Ópticas – Exemplos
Trecho (Round Trip Delay) Atraso de Propagação
Miami a São Paulo 100 mseg
New York a Los Angeles 50 mseg
Los Angeles a Hong Kong 170 mseg
Fonte: Análise de Qualidade de Serviço em Redes [SILVA, 2004]
A velocidade de transmissão é um parâmetro controlado pelo gerente visando
normalmente a adequação da rede à qualidade de serviço solicitada. Em se tratando de
25
redes locais (LANs), as velocidades de transmissão são normalmente bastante elevadas,
tendendo a ser tipicamente superior à 10 Mbps dedicada por usuário (p. ex.: utilizando
LAN Switches).
Em se tratando de redes de longa distância (Redes corporativas estaduais e
nacionais, redes metropolitanas, intranets metropolitanas, etc.) as velocidades de
transmissão são dependentes da escolha de tecnologia de rede WAN (Linhas privadas,
Frame Relay, satélite, ATM, dentre outras). Embora exista obviamente a possibilidade de
escolha da velocidade adequada para garantia da qualidade de serviço, observam-se
neste caso restrições e/ ou limitações nas velocidades utilizadas, tipicamente devido aos
custos mensais envolvidos na operação da rede. Além desse fator, observam-se também
algumas restrições quanto à disponibilidade tanto da tecnologia quanto da velocidade de
transmissão desejada. Em termos práticos, trabalha-se em WAN tipicamente com vazões
da ordem de alguns megabits por segundo (Mbps) para grupos de usuários.
O resultado das considerações discutidas é que a garantia de QoS é certamente
mais crítica em redes metropolitanas (MAN) e redes de longa distância (WAN) pelo
somatório de dois fatores, ambos negativos:
• trabalha-se com velocidades (vazão) mais baixas;
• a latência (atrasos) é muito maior quando se compara com o cenário das redes
locais.
O terceiro fator que contribui para a latência da rede é a contribuição de atraso
referente ao processamento realizado nos equipamentos. A título de exemplo, numa rede
IP os pacotes são processados ao longo do percurso entre origem e destino por:
• roteadores (comutação de pacotes)
• LAN Switches (comutação de quadros)
• servidores de acesso remoto (RAS) (comutação de pacotes, outros)
• firewalls (processamento no nível de pacotes ou no nível de aplicação)
Considerando que a latência é um parâmetro fim-a-fim, os equipamentos finais
(hosts) também têm sua parcela de contribuição para o atraso. No caso dos hosts, o
atraso depende de uma série de fatores, a saber:
• capacidade de processamento do processador;
• disponibilidade de memória;
• mecanismos de cache;
• processamento nas camadas de nível superior da rede (Programa de
aplicação, camadas acima da camada IP, etc.);
26
• Outros
Em resumo, observe-se que os hosts são também um fator importante para a
qualidade de serviço e, em determinados casos, podem ser um ponto crítico na garantia
de QoS.
Esta consideração é particularmente válida para equipamentos servidores
(Servers) que têm a tarefa de atender solicitações simultâneas de clientes em rede.
3.4 JITTER
O jitter é um outro parâmetro importante para a qualidade de serviço. No caso, o
jitter é importante para as aplicações executando em rede cuja operação adequada
depende de alguma forma da garantia de que as informações (pacotes) devem ser
processadas em períodos de tempo bem definidos. Este é o caso, por exemplo, de
aplicações de voz e fax sobre IP (VoIP) e aplicações de tempo real.
Do ponto de vista de uma rede de computador, o jitter pode ser entendido como
a variação no tempo e na seqüência de entrega das informações (p. ex.: pacotes)
(Packet-Delay Variation) devido à variação na latência (atrasos) da rede.
Conforme discutido no item anterior, a rede e seus equipamentos impõem um
atraso à informação (p. ex.: pacotes) e este atraso é variável devido a uma série de
fatores, a saber:
• tempos de processamento diferentes nos equipamentos intermediários
(roteadores, switches, etc.);
• tempos de retenção diferentes impostos pelas redes públicas (Frame Relay,
ATM, X.25, IP) e outros fatores ligados à operação da rede.
A figura 7 ilustra o efeito do jitter entre a entrega de pacotes na origem e o seu
processamento no destino. Caso houvesse uma taxa de transmissão constante com
intervalo de 20 ms entre a transmissão de um pacote e outro tais pacotes deveriam
chegar ao destino com intervalo de 20 ms. Porém como cada pacote pode trafegar na
rede por diferentes rotas e diferentes meios esse tempo de chegada pode variar. Fato
este que diminuiria a qualidade do serviço.
27
Figura 7 - Variação de tempo da chegada dos pacotes no destino
O jitter causa não somente uma entrega com periodicidade variável (Packet-
Delay Variation) como também a entrega de pacotes fora de ordem. Em princípio, o
problema dos pacotes fora de ordem poderia ser resolvido com o auxílio de um protocolo
de transporte como o TCP que verifica a seqüência das mensagens e faz as devidas
correções. Entretanto, na prática tem-se que a grande maioria das aplicações multimídia
optam por utilizar o UDP ao invés do TCP pela maior simplicidade e menor overhead
deste protocolo. Nestes casos, o problema de sequenciamento deve ser resolvido por
protocolos de mais alto nível normalmente incorporados à aplicação como, por exemplo, o
RTP (Real Time Transfer Protocol).
O jitter introduz distorção no processamento da informação na recepção e deve
ter mecanismos específicos de compensação e controle que dependem da aplicação em
questão. Genericamente, uma das soluções mais comuns para o problema consiste na
utilização de buffers (Técnica de "buffering").
3.5 PERDAS
As perdas de pacotes em redes IP ocorrem principalmente em função de fatores
tais como:
• descarte de pacotes nos roteadores e switch routers (Erros, congestionamento,
etc.);
• perda de pacotes devido à erros ocorridos na camada 2 (PPP - Point-to-Point
Protocol, Ethernet, Frame Relay, ATM) durante o transporte dos mesmos.
28
De maneira geral, as perdas de pacotes em redes IP são um problema sério
para determinadas aplicações como, por exemplo, a voz sobre IP. Neste caso específico,
a perda de pacotes com trechos de voz digitalizada implica numa perda de qualidade
eventualmente não aceitável para a aplicação. O que fazer em caso de perdas de pacotes
é uma questão específica de cada aplicação em particular.
Do ponto de vista da qualidade de serviço da rede (QoS) a preocupação é
normalmente no sentido de especificar e garantir limites razoáveis (Taxas de Perdas) que
permitam uma operação adequada da aplicação.
3.6 DISPONIBILIDADE
A disponibilidade é um aspecto da qualidade de serviço abordada normalmente
na fase de projeto da rede. Em termos práticos, a disponibilidade é uma medida da
garantia de execução da aplicação ao longo do tempo e depende de fatores tais como:
• disponibilidade dos equipamentos utilizados na rede proprietária (Rede do
cliente) (LAN, MAN ou WAN);
• disponibilidade da rede pública, quando a mesma é utilizada (Operadoras de
telecomunicações, carriers, ISPs - Internet Service Providers).
As empresas dependem cada vez mais das redes de computadores para a
viabilização de seus negócios (comércio eletrônico, home-banking, atendimento online,
transações online) e, neste sentido, a disponibilidade é um requisito bastante rígido. A
título de exemplo, requisitos de disponibilidade acima de 99% do tempo são comuns para
a QoS de aplicações WEB, aplicações cliente/ servidor e aplicações de forte interação
com o público, dentre outras.
3.7 SEGURANÇA
Segurança é um fator que sempre deve ser considerado essencialmente em
redes corporativas, seja em aplicações de tempo-real ou não. Para manter a qualidade de
serviço o acesso à rede deve ser permitido somente a pessoas autorizadas. Deve-se
também evitar ataques denial-ofservice (DoS) colocando endereços IPs não válidos para
os equipamentos de voz.
29
Como a rede utiliza o protocolo IP existem métodos de tornar as informações
mais confiáveis e menos suscetíveis a ataques através da utilização de criptografia que já
é suportada nativamente pela versão 6 do IP (IPv6).
3.8 CONFIABILIDADE
Algumas providências devem ser tomadas em relação à confiabilidade da rede
como um todo. Uma solução para aumentar a confiabilidade seria usar equipamentos e
links redundantes. Isso deixaria a rede menos suscetível a falhas e aumentaria assim a
qualidade do serviço.
30
4. QoS - ALTERNATIVAS TÉCNICAS
Uma vez identificado os parâmetros relacionados com a qualidade de serviço
das aplicações, discute-se os protocolos, mecanismos e algoritmos utilizados na
implementação efetiva da qualidade de serviço.
Para adicionar recursos de qualidade de serviços à pilha TCP/IP, dois modelos
de classes de serviços para tráfego Internet estão sendo considerados e desenvolvidos
pela IETF: o primeiro refere-se aos serviços diferenciados, denominado Differentiated
Services (DIFFSERV) ou ainda de Soft QoS, que provê um tratamento diferenciado, com
preferência estatística, a determinados tipos de fluxo; e o segundo refere-se aos serviços
integrados ou Integrated Services (INTSERV), também chamado de Hard QoS, que
fornece uma garantia absoluta na alocação dos recursos da rede.
As alternativas IntServ e DiffServ não são concorrentes ou mutuamente
exclusivas. Na realidade, estas são soluções complementares que podem ser utilizadas
conjuntamente. Uma alternativa de uso conjunto das duas soluções seria a utilização do
DiffServ no backbone de roteadores (core), na medida em que é uma solução mais "leve"
e o IntServ RSVP nas redes de acesso, na medida em que fornece um bom controle com
granularidade dos requisitos de QoS das aplicações.
Além dessas, existem outras alternativas técnicas básicas para a implantação de
qualidade de serviço em redes IP, são as seguintes:
• MultiProtocol Label Switching (MPLS);
• Subnet Bandwidth Management (SBM);
• dimensionamento e soluções proprietárias.
Todas as alternativas citadas, excetuando-se as soluções proprietárias, são
iniciativas do IETF. O IETF está fortemente empenhado em propor um conjunto de
soluções para os mecanismos de controle de QoS que garanta a interoperabilidade dos
mesmos entre diferentes fornecedores. Isto se dá em função da importância das redes IP
para o suporte de novas aplicações multimídia, tempo real, etc.
Porém, não é o objetivo principal deste trabalho se aprofundar nos mesmos.
Serão abordados mecanismos de controle e inibição de congestionamento, técnicas de
controle de tráfego com classificação e priorização de fluxo. Além disso, são
apresentadas algumas comparações entre as técnicas abordadas, mas tudo sem se
prender às denominações e classificações dos modelos definidos pela IETF.
31
4.1 CONTROLE E INIBIÇÃO DE CONGESTIONAMENTO
Há vários mecanismos de enfileiramento para controle e prevenção de
congestionamento em interfaces de roteadores (Ethernet, seriais, Frame Relay, etc.) e
switches nível 3, aplicáveis tanto em redes WAN como em LAN. As principais são
apresentadas a seguir.
4.1.1 FIFO - FIRST IN FIRST OUT
Em geral, o controle de tráfego nas conexões seriais dos roteadores é
implementado através de filas FIFO (o primeiro a entrar é o primeiro a sair). Uma fila FIFO
é um mecanismo de armazenamento e repasse (store and forward) que não implementa
nenhum tipo de classificação.
A ordem de chegada dos pacotes é que determina a alocação da banda, e o que
chega primeiro é logo atendido. É o tratamento default da fila nos roteadores, já que não
requer nenhuma configuração. O problema ocorre em tráfego de rajada, que pode causar
longos atrasos em aplicações sensíveis ao tempo. Por isso, filas FIFO não servem para
aplicações que requerem QoS.
4.1.2 ENFILEIRAMENTO FAIR QUEUEING
No algoritmo de Enfileiramento Fair Queueing (enfileiramento justo), as
mensagens são ordenadas em sessões, e, para cada sessão, é alocado um canal. A
ordem na fila é realizada através do último bit que atravessa o canal. Essa operação
provê uma alocação mais justa da banda entre os fluxos de dados.
O algoritmo WFQ - Weighted Fair Queueing é uma implementação Cisco na qual
é possível ponderar determinados tipos de fluxo. O algoritmo escalona o tráfego prioritário
(interativo) para frente da fila, reduzindo o tempo de resposta. Ao mesmo tempo,
compartilha o restante da banda com os outros tipos de fluxo de uma forma justa. O WFQ
é dinâmico e se adapta automaticamente às mudanças das condições de tráfego, sendo
bastante útil em conexões seriais de baixa velocidade até 2 Mbps.
Por apresentar um desempenho superior à fila FIFO, a fila WFQ já vem pré-
configurada nas interfaces seriais dos roteadores Cisco.
32
A classificação dos fluxos de dados pode ser realizada de diversas formas: por
endereço fonte ou destino, por protocolo, pelo campo precedência IP, pelo par
porta/socket, etc. A quantidade de filas é configurável e a ponderação pode ser
estabelecida por precedência IP, ou em conjunto com outros protocolos de QoS como o
Resource reSerVation Protocol (RSVP), ou ainda em tráfego Frame Relay, como VoFR
(Voice over Frame Relay) por exemplo, através dos parâmetros Forward Explicit
Congestion Notification (FECN), Backward Explicit Congestion Notification (BECN) e
Discard Eligible (DE).
4.1.3 ENFILEIRAMENTO PRIORITY QUEUEING
Numa fila com Enfileiramento Priority Queueing - PQ (enfileiramento prioritário),
o tráfego de entrada é classificado em quatro níveis de prioridade: alta, média, normal e
baixa (high, medium, normal e low). Os pacotes não classificados são marcados, por
default, como normal.
Durante a transmissão, o tráfego classificado e marcado como prioritário tem
preferência absoluta. Por isso, este método deve ser utilizado com cuidado, para evitar
longos atrasos e aumento de jitter nas aplicações de menor prioridade. Num caso
extremo, o tráfego de menor prioridade pode até nunca ser transmitido, se o de maior
prioridade tomar toda a banda. Isso pode acontecer em conexões de baixa velocidade.
Além disso, a fila default sempre tem que ser habilitada. Caso contrário, todo fluxo não
classificado (sem uma correspondente lista de prioridade) também poderá não ser
enviado.
Há várias opções de classificação de tráfego numa fila PQ. A classificação pode
ser por protocolo (p. ex. IP), por interface de entrada ou por lista de acesso.
4.1.4 ENFILEIRAMENTO CUSTOM QUEUEING
O algoritmo da fila Custom Queueing (CQ) permite especificar uma percentagem
da banda para uma determinada aplicação (alocação absoluta da banda). A banda
reservada é compartilhada proporcionalmente, no percentual pré-definido, entre as
aplicações e os usuários. O restante da banda é compartilhado entre os outros tipos de
tráfego.
33
O algoritmo CQ controla o tráfego alocando uma determinada parte da fila para
cada fluxo classificado. As filas são ordenadas ciclicamente num esquema round-robin,
onde, para cada fila, é enviado a quantidade de pacotes referente à parte da banda
alocada antes de passar para a fila seguinte. Associado a cada fila, há um contador
configurável que estabelece quantos bytes devem ser enviados antes da passar para a
próxima fila.
Até 17 filas podem ser definidas, mas a fila zero é reservada para mensagens
dos sistemas como sinalização, keep-alive, etc. A classificação CQ pode ser feita por
endereço fonte ou destino, por protocolo (p. ex. IP), por precedência IP, por interface de
entrada e ainda por listas de acesso.
A seguir, apresenta-se algumas considerações sobre a escolha de qual método
utilizar. De fato, estas são as diretrizes básicas nas considerações iniciais de um projeto
VoIP, porém, na prática o que prevalecerá será o método e a configuração dos
respectivos parâmetros que se enquadrem nas condições do projeto. Então se deve ter
disponibilidade de banda nas conexões WAN, topologia do backbone, roteamento estático
ou dinâmico, etc. e que produzir uma boa qualidade subjetiva do sinal de voz.
4.1.5 A DETECÇÃO RANDOM EARLY DETECTION (RED)
A detecção Random Early Detection - RED (detecção randômica antecipada) é
um mecanismo para prevenção e inibição de congestionamento ou congestion avoidance.
O algoritmo monitora o tráfego antecipadamente utilizando as funções de controle de
congestionamento TCP, descartando pacotes aleatoriamente e indicando para a fonte
reduzir a taxa de transmissão, evitando assim situações de congestionamento antes que
ocorra picos de tráfego. Quando habilitado numa interface, o RED começa a descartar
pacotes a uma taxa que pode ser previamente configurada.
WRED, ou Weighted RED, é uma implementação da Cisco que combina as
funcionalidades do RED com a classificação de pacotes por precedência IP. Baseado
nessa classificação, o WRED descarta pacotes seletivamente, descartando inicialmente
os pacotes de menor prioridade, com diferentes pesos para cada classe.
É possível desabilitar a classificação precedência IP e habilitar o descarte com
base apenas no tamanho do buffer da fila; ou ainda utilizar o WRED em conjunto com o
Resource reSerVation Protocol (RSVP) para se obter um descarte mais seletivo. Nesse
34
caso, antes que ocorra uma situação de congestionamento, os fluxos de menor prioridade
nas sessões RSVP serão descartados antes dos outros de maior prioridade.
WRED é útil em qualquer interface na qual a possibilidade de congestionamento
seja eminente. Entretanto, é geralmente utilizado em roteadores centrais de backbone
(core routers), com a precedência IP habilitada pelos roteadores de acesso (edge
routers).
4.2 EFICIÊNCIA EM CONEXÕES
Obter a melhor eficiência nas conexões com voz sobre IP significa, neste caso,
fazer um melhor uso da banda com os protocolos associados às aplicações de voz, com
uma boa qualidade. Utilizando protocolos de compressão de dados, pode-se obter uma
maior economia de banda e, com tecnologias para fragmentação e interleaving, obtém-se
uma melhor qualidade do sinal de voz. Os protocolos descritos a seguir realizam tais
funções.
4.2.1 COMPRESSÃO RTP
O protocolo Compressed Real-time Transport Protocol (CRTP) comprime o
cabeçalho do pacote RTP, que transporta o tráfego de voz. A Figura 8 mostra formação
de um pacote RTP. O campo de dados (payload) de um pacote IP de voz é composto
pelo pacote RTP, que transporta o sinal de voz propriamente dito, encapsulado num
pacote UDP.
Figura 8 - Encapsulamento de pacote VoIP
O tamanho do cabeçalho RTP é de 12 bytes, o do UDP de 8 bytes e do IP de 20
bytes, totalizando 40 bytes. Considerando o payload IP de 20 bytes, só de cabeçalho
teríamos 66,66% da banda da conexão.
Com isso surgiu o protocolo CRTP, que, na maior parte do tempo, consegue
uma compressão de cabeçalho de 40 para 2 bytes, ou para 4 se considerarmos o
checksum UDP. Essa compressão corresponde a uma redução de até 95% na
sobrecarga (overhead) referente aos cabeçalhos.
35
A operação CRTP é simples. O tráfego total destinado a uma determinada
interface é classificado, e o que for RTP é separado para compressão. O tráfego RTP é,
então, processado num compressor e colocado novamente na fila para ser transmitido.
A compressão CRTP é bastante útil em conexões de baixa velocidade (64 Kbps,
p. ex.), mas também possui desvantagens. Se for habilitada compressão RTP, o roteador
só funcionará em process switch em vez de fast switch, o que, combinado com a
sobrecarga da execução CRTP, pode causar queda de desempenho do mesmo. Portanto,
o uso do CRTP não é sugerido em enlaces de alta velocidade, uma vez que a relação
custo versus benefício pode não compensar.
4.2.2 FRAGMENTAÇÃO E INTERLEAVING
No modelo apresentado na Figura 4, considere a existência de uma sessão File
Transfer Protocol (FTP) entre os dois pontos. Se, no momento da chegada de um pacote
de voz, o roteador estiver processando um grande pacote FTP, o sinal de voz para o
receptor chegará com pausas e, subjetivamente, soará como soluços. Se as pausas
forem demoradas, o sinal pode até perder a inteligibilidade. Isso acontece, principalmente,
em conexões com grande Maximum Transmission Unit (MTU). Essa situação é bastante
inadequada para tráfego sensível a retardo.
As técnicas de fragmentação e interleaving, ou Link Fragmentation and
Interleaving (LFI), amenizam esse problema. A fragmentação consiste em quebrar, ou
fragmentar, grandes datagramas ("jumbogramas") em partes menores. Já as técnicas de
interleaving intercalam os pacotes menores, incluindo os de voz, entre os "pedaços" do
"jumbograma" para posterior transmissão. Essas técnicas são bastante úteis em enlaces
de baixa velocidade, reduzindo o atraso e a variação deste, o chamado jitter.
4.3 CONFORMIDADE E POLICIAMENTO DE TRÁFEGO
4.3.1 GENERIC TRAFFIC SHAPING
Generic Traffic Shaping, ou GTS como chamada, (em português conhecido
como Conformidade de Tráfego) provê mecanismos para controle de tráfego utilizando
36
filtros conhecidos como token bucket6, limitando o tráfego de saída de uma interface a
uma determinada taxa. O tráfego classificado vai para um buffer limitador, sendo liberado
sob regras pré-definidas de acordo uma política de controle de tráfego, que pode ser
configurada pelo administrador ou derivada da interface.
Conformidade de tráfego pode ser útil em vários casos. Por exemplo, para limitar
o tráfego de rajada de forma a não prejudicar o tráfego prioritário, reduzindo assim a
latência; ou, em situações de congestionamento, para limitar um determinado tipo de
tráfego não sensível a retardo, como transferência de arquivos, eliminando possíveis
gargalos.
A GTS aplica-se apenas em interfaces de saída, com o uso de listas de acesso
para classificar e selecionar o tráfego. Funciona com qualquer tecnologia de enlace (nível
2) como Frame Relay, ATM (Asyncronous Transfer Mode), Switched Multimegabit Data
Service (SMDS) e Ethernet.
4.3.2 POLICIAMENTO OU COMMITTED ACCESS RATE (CAR)
O Committed Access Rate (CAR) é o método para policiamento e controle de
tráfego IP que realiza, basicamente, duas funções para qualidade de serviço:
• gerenciamento de banda com limitação de taxa de acesso (policing) - permite
controlar a taxa máxima de transmissão ou recepção de dados de uma
determinada interface. O tráfego CAR é transmitido ou recebido, enquanto os
pacotes que excedem os limites pré-definidos, ou são descartados, ou são
reclassificados com outra prioridade para retransmissão;
• classificação de pacotes através de precedência IP ou de grupos de QoS (um
rótulo interno do roteador utilizado para definição de classes - permite
particionar a rede em múltiplas classes de serviços ou níveis de priorização).
Para isso, utilizando também o mecanismo token bucket, o CAR examina o
tráfego recebido na interface ou parte do tráfego selecionado pelos critérios das listas de
acesso, compara a taxa de tráfego com a do token bucket e, de acordo com o resultado,
6 Token Bucket é uma definição formal para taxa de transferência. Possui três componentes: um amanho de rajada em bits (burst size), também chamado de committed burst (BC) que especifica o quanto pode ser enviado num determinado intervalo de tempo; uma taxa média (mean rate) em bps, também chamada de CIR (Committed Information Rate), que especifica o quanto de dados, na média, pode ser enviado por unidade de tempo; e um intervalo de tempo (TC) em segundos, intervalo de medida que especifica o tempo por rajada.
37
toma uma ou várias ações. Ou seja, pode transmitir o pacote, descartá-lo ou reclassificá-
lo com outro nível de prioridade, etc.
Os tokens são inseridos no balde na mesma taxa CIR. A profundidade do balde
é o tamanho da rajada (burst size). Se houver tokens suficientes quando o tráfego chega
ao balde, então o tráfego é dito estar em conformidade e a quantidade correspondente de
tokens é removida. Se não houver tokens suficientes, então o tráfego é dito excessivo.
Os critérios de seleção de tráfego podem ser baseados em todo tráfego IP, em
precedência IP, em listas de acesso (padrão ou estendida), em endereço MAC ou, ainda,
em grupos de QoS. O endereço MAC e a precedência IP podem ser definidos através de
listas de acesso rate-limit.
Com o CAR, pode-se limitar o tráfego por aplicação (Web, FTP, etc), por
interface (p. ex., uma conexão serial a 2 Mbps, mas com acesso limitado em 512 Kbps),
por endereço MAC (p. ex., controle de tráfego em Pontos de Troca de Tráfego (PTT)), ou
pode-se classificar ou reclassificar todo o tráfego de entrada num backbone a partir dos
roteadores de borda, para tratamento diferenciado em termos de qualidade de serviços. O
quadro 5 abaixo apresenta as diferenças entre CAR e GTS:
Quadro 5 - Comparação entre CAR e GTS
CAR GTS
Aplica-se em tráfego de entrada e de saída Aplica-se apenas em tráfego de saída
Não "buferiza" nem molda tráfego Molda e suaviza o tráfego
Pode marcar pacotes (ex: precedência IP) Não possui essa funcionalidade
Em Frame Relay, não suporta FECN e nem
BECN
Suporta FECN e BECN em Frame
Relay
Suporta políticas em cascata Não suporta essa funcionalidade
Não suporta uso com RSVP Suporta RSVP quando usa WFQ
Suporta listas padrões e estendidas Suporta apenas listas estendidas
Gerência o descarte entre o normal_burst e o
extended_burst Não suporta essa funcionalidade
Executa no modo distribuído (VIP do 7500) Não suporta essa funcionalidade
Fonte: Qualidade de Serviço em VoIP II [SILVA, 2001]
38
5. VOZ SOBRE IP (VoIP)
Durante a explosão da internet, nos anos 90, a rede pública telefônica de linha
discada era amplamente utilizada para o fluxo de dados. Com o advento e a evolução dos
canais de banda larga surgiu a possibilidade do tráfego de voz na rede de dados. Esse é
o princípio de funcionamento da mais recente tecnologia surgida no mercado da
telecomunicação, denominada telefonia IP (Internet Protocol). Na figura 9 mostra-se a
telefonia pública atual. Uma conexão de voz igual a 64 Kbps e um canal E1(G703/G704)
igual a 30 conexões de voz.
Figura 9 – Rede telefônica tradicional usa canais TDM para transporte da voz
Já existem hoje alguns órgãos que padronizam o tráfego de voz sobre ATM,
sobre IP e sobre Frame Relay, além de seus protocolos, como mostra o quadro abaixo,
porém não serão dadas, no projeto, características desses órgãos e nem especificidades
que venham a ocorrer em suas tecnologias, diferentes da tecnologia IP, apresentando no
máximo algumas comparações entre as mesmas. [BASTOS, 1999]
Quadro 6 – Comparação entre diferentes tecnologias e seus protocolos
Voz Sobre ATM Sobre IP Sobre FR
Órgão de Padronização ATM Fórum IMTC7 Frame Relay Forum
Padrões AAL1/CES
AAL2 AAL5
H.323 RTP
MGCP SIP
FRF.11 FRF.12
Fonte: Voz sobre IP [BARROS, 1999]
7 International Multimedia Telecommunications Consortium (IMTC) é uma corporação fundada para promover a criação e adoção de padrões internacionais para "Multipoint videoconferencing" e "Document Conferencing".
PBX PBX Telefonia Pública
39
Quadro 7 – Comparativo das tecnologias de rede para a transmissão de voz
Tecnologias de Rede PSTN8 Frame Relay
Intranet (IP)
Internet (IP) ATM
Economia de custos Baixo Alto Alto Muito alto Baixo
Desempenho Alto Alto Moderado Muito Baixo
Alto
Utilização mundial Alto Moderado Moderado Alto Baixo
Aplicações em potencial Baixo Baixo Alto Alto Baixo
Fonte: Fonte: Voz sobre IP [BARROS, 1999]
Algumas empresas hoje de médio e grande porte possuem pontos de presença
em várias cidades, estados e até países. Suas redes locais de computadores geralmente
são interligadas através dos backbones das concessionárias de telecomunicações,
formando assim uma única rede corporativa, utilizando na maior parte das vezes o
protocolo IP. Essas redes são utilizadas, na maioria dos casos, para acesso a banco de
dados, transferência de arquivos, envio de mensagens, etc. Sabe-se também que
geralmente há um grande número de ligações telefônicas entre seus diversos pontos de
presença, ocasionando assim um custo considerável.
Com o objetivo de diminuir este custo e aproveitar uma possível ociosidade da
rede, foi desenvolvida uma tecnologia, denominada VoIP (Voz sobre IP), que permite
utilizar a rede IP para trafegar, além de dados, também voz e conseqüentemente reduzir
de forma considerável, dependendo do caso, o custo com ligações telefônicas.
Para que a voz seja transmitida através de uma rede IP, utilizando o protocolo
UDP da camada de transporte, ela primeiramente deve ser codificada. Ou seja, deve-se
transformar o sinal analógico da voz em um sinal digital para que o mesmo possa fazer
parte do campo de dados de um pacote IP. Tal codificação é feita utilizando-se
equipamentos especiais, que além de codificar também irão comprimir os dados. Tais
dispositivos são chamados de coders. Os mais modernos além de comprimir ainda fazem
supressão de silêncio e cancelamento de eco.
A Figura 10 mostra o processo de codificação e empacotamento das
mensagens.
8 Public Switched Telephone Network (Rede Comutada de Telefonia Pública) - é a rede de telecomunicações que torna possível chamadas telefônicas.
40
Figura 10 - Codificação e encapsulamento do fluxo de voz em pacotes IP.
Atualmente, as empresas estão avaliando o transporte de voz sobre as redes IP
para reduzir os custos de telefonia e fax, com a vantagem de utilização de aplicações
multimídia avançadas. Os serviços de transmissão de voz sobre redes IP possibilitam a
integração aos serviços de dados e vídeo, tornando realidade às convergências dos
serviços. A tecnologia de voz sobre IP (VoIP) adota padrões internacionais. Os desafios
encontrados pelos provedores de telecomunicações para liberar produtos comerciais
estão começando a ser vencidos. Esses desafios incluem a interoperacionalidade entre
redes, perda de pacotes, retardo (delay), escalabilidade e confiabilidade. A Internet e as
Intranet corporativas estão sendo habilitadas para transportar todo o tráfego de voz
requerido pelas organizações.
A tecnologia VoIP tem sido utilizada com o intuito de trazer grandes benefícios
quando aplicada em redes privadas, pois sua utilização na Internet ainda não é confiável
e não apresenta uma boa qualidade, devido ao alto tráfego de dados. O fato de a
tecnologia VoIP ser ainda emergente não é um fator de inibição, pois existe uma grande
aceitação do mercado para a mesma.
5.1 LIMITAÇÕES DAS REDES IP PARA TRANSMISSÃO DE VOZ
As redes baseadas no protocolo IP oferecem algumas limitações para garantir
uma qualidade de voz e estas surgem em virtude das redes baseadas em IP serem redes
de comutação de pacotes, em contrapartida, as redes telefônicas convencionais são
redes de comutação de circuitos.
41
A comutação de circuitos é uma técnica de comunicação, onde a principal
característica é a necessidade de se estabelecer um caminho fim-a-fim, antes que
qualquer dado possa ser enviado. É reservada estaticamente a largura de banda
necessária com antecedência e o que não for utilizada em circuito alocado é
simplesmente desperdiçada.
A comutação de pacotes é uma técnica de comunicação, onde a largura de
banda somente é usada quando é preciso e a banda não utilizada pode ser utilizada por
outros pacotes entre origens e destinos não associados, pois os circuitos nunca são
dedicados. [TANENABAUM, 1997]
Nas redes de comutação de circuitos, um caminho fim a fim é estabelecido ao se
efetuar a conexão entre o transmissor e o receptor. É estabelecida uma banda e demais
recursos da rede, que por sua vez ficam dedicados somente durante àquela conexão,
sem compartilhamento. Assim garante-se qualidade de serviço (QoS - Quallity of Service),
mas perde-se na eficiência dos recursos da rede, pois mesmo se não for transmitido nada
na banda alocada, ela se encontrará inutilizada, pois não há compartilhamento de
recursos.
As redes de comutação de pacotes compartilham recursos entre os diversos
usuários que desejam transmitir. E como não é alocado um caminho dedicado a uma
conexão cada pacote pode percorrer uma rota diferente, ou seja, geralmente perde-se a
seqüência dos pacotes transmitidos. Nessa rede também é preciso o processamento dos
nós intermediários de uma conexão.
Outra dificuldade para a voz, a qual exige cadência, está relacionado ao fato de
as redes IP trabalharem com o "melhor esforço" (best effort). Assim, todos os pacotes são
tratados de forma igual, sem prioridades entre eles ou discriminação entre os diversos
tipos de tráfegos. Quando um pacote chega na fila do roteador, FIFO (First In First Out)
primeiro que entra é o primeiro que sai, ele não pode "furar" fila. Se houver espaço nos
buffers dos roteadores, o pacote é armazenado para transmissão e, caso contrário, ele é
descartado. [DELFINO, 1999]
Atrasos são outras barreiras para os pacotes de voz. Eles podem ser de dois
tipos: fixos ou variáveis (jitter). Os atrasos fixos causam desconforto na conversação e os
variáveis, atrapalham a cadência na transmissão da voz.
Os atrasos fixos podem ocorrer por diversos motivos:
• compressão: tempo gasto na codificação da voz;
• entre processos: atraso em devido aos handoffs entre os roteadores da rede;
42
• transmissão: limitações de velocidade dos enlaces;
• rede: uma função da capacidade da rede;
• buffer: em função do tamanho do buffer;
• descompressão: tempo gasto na descompressão.
Os atrasos variáveis são decorrentes do tráfego e do congestionamento da rede.
Estes são causados principalmente pelo enfileiramento dos pacotes nos roteadores.
Atrasos da ordem de 150ms (para alguns, 250ms) são considerados intoleráveis para
transmissão de voz, pois causam perda de interatividade. Valores mais altos do que isto,
porém, podem ser atingidos, em algumas situações, na Internet.
5.1.1 FONTES DE ATRASO EM TRANSMISSÃO DE VOZ EM REDES DE PACOTE
Não só os atrasos, mas também de fundamental consideração são as perdas
existentes na rede. Para o tráfego de voz codificado sem compressão, elas não são tão
importantes. Contudo, ao comprimirmos a voz, estaremos aumentando a sensibilidade em
relação às perdas. Apesar do protocolo TCP tentar garantir a recuperação contra
congestionamento e perdas, uma garantia maior só é obtida utilizando uma banda maior
disponível, bem como uma melhoria no tempo de processamento dos nós.
Outro problema a ser considerado é a escassez de banda. A conversação
normal possui intervalos de silêncio, o que pode gerar um desperdício de recursos em se
tratando de alocar uma possível banda fixa, como ocorre com a telefonia convencional.
Para finalizar, é possível mencionar também como uma dificuldade que se
afigura o uso do protocolo UDP como transporte para aplicação de voz. Este protocolo,
que não efetua a reordenação, nem a recuperação por retransmissão, tem a vantagem de
ser o mais adequado para se manter a cadência da conversação. Além do mais, existe
alguma tolerância a perdas quando se trata da transmissão de voz. Contudo, o UDP é o
tipo datagrama, mas não possui controle de congestionamento algum. Por isso, ele pode
ser um emissor agressivo para a rede, gerando, assim, congestionamento.
Em contraponto a todas essas dificuldades, serão mostradas a seguir as
tecnologias que estão em desenvolvimento, ou já estão estabelecidas, que permitem
contornar estes obstáculos.
Para resolver os problemas relacionados ao congestionamento e atrasos,
podemos empregar mecanismos de controle de congestionamento e atribuição de
prioridades. A priorização pode ser mais eficiente, quando empregada com outras
43
técnicas que aceleram o fluxo dos pacotes de voz. Os algoritmos de priorização podem
limitar dinamicamente o tamanho dos quadros de dados, se há presença de pacotes de
voz, podendo assim se conseguir um enfileiramento de pacotes de dados à frente de
qualquer pacote de voz. Consegue-se assim, diminuir os tempos de enfileiramento dos
pacotes de voz, garantindo um bom desempenho por parte da transmissão de dados,
caso o fluxo de voz não esteja em uso. Já quanto ao controle de congestionamento,
alguns métodos como a priorização de pacotes UDP, estão emergindo para garantir o
tráfego de voz fluindo suavemente.
Além disso, os roteadores devem empregar técnicas de bufferização e
ocultamento de erros, para compensar os atrasos e perdas de pacotes que ocorrem de
forma inevitável. Buffer na extremidade receptora enfileiram uma pequena quantidade de
pacotes, antes de sua execução, eliminando as variações de atrasos que podem ocorrer
na rede. Podem ser implementados métodos de estimação do conteúdo de pacotes
perdidos baseados nos pacotes previamente enviados, de forma a repor a informação
ausente.
Como forma de melhorar a banda deve-se empregar algoritmos de compressão
de voz e supressão de silêncio. Com a compressão, consegue-se obter áudio de boa
qualidade numa banda menor. Os algoritmos de compressão empregam a supressão de
silêncio, eliminando as pausas, que ocupam até 40% da conversação telefônica, e
ocupando a banda por outros pacotes quando intervalos de silêncio ocorrem. Entretanto,
há que se levar em consideração que com a compressão, os pacotes de voz aumentam a
sensibilidade a perdas, donde vemos a importância dos mecanismos que evitam tais
características.
Outro problema que pode irritar o ouvinte durante a conversação telefônica é o
eco. Assim, deve-se empregar algoritmos de cancelamento de eco de forma a evitar tais
incômodos. Os algoritmos mais modernos modelam padrões matemáticos da
conversação humana e subtraem no caminho de transmissão. Para funcionar de forma
eficiente, esta técnica deve ser empregada no mesmo roteador que faz a codificação de
voz.
Os mecanismos que estão implementados, ou são assuntos de pesquisa no
ambiente Internet, para garantir QoS para a transmissão de voz são:
• Resource reSerVation Protocol (RSVP): primeiro padrão industrial para garantir
QoS em redes heterogêneas. O RSVP é um protocolo de sinalização que tem
a capacidade de requisitar um determinado nível de QoS através da rede. Ele
44
carrega o pedido pela rede visitando cada nó que a rede usa para carregar o
fluxo. O RSVP deve ser implementado nó a nó, implicando em problemas de
escalabilidade.
• Real Time Transport Protocol (RTP) e Real-Time Control Protocol (RTCP): O
RTP é constituído por uma parte de dados e outra de controle, RTCP. Realiza
a reconstrução de temporização, a detecção de perdas e identificação de
conteúdo. O RTCP dá suporte a conferência em grupo, ou seja, identificação
de fontes e suporte a roteadores de nível 2 (bridges) para áudio e vídeo,
também dá suporte a tradutores de multicast para unicast. Como a sobrecarga
do uso do IP-UDP-RTP é grande, 40 octetos, é adotada a verão CRTP, com
compressão de cabeçalho para um valor de 2 a 4 octetos.
• Suavização de Tráfego: Taxa Média = (Tamanho de Rajada) / (Intervalo). Por
definição, a taxa de transmissão não excederá a taxa média.
• Política de escalonamento - Prioridades Weighted Fair Queuing (WFQ) e
Random Early Detection (RED): O tráfego entrante é associado a uma fila. A
fila com maior prioridade é servida até que se esvazie e assim pacotes nas
outras filas vão sendo servidos. Os tráfegos críticos vão ficar com maior banda
causando prejuízo aos outros tráfegos (starvation). O WQF evita que o tráfego
chegue a uma situação de starvation, pois ele divide a banda com "justiça".
Esse mecanismo diminui o jitter. O RED é um algoritmo de prevenção contra
congestionamento. Pode-se também implementar pesos (WRED) configurados
no campo ToS (Type of Service) do datagrama IP.
5.2 A ARQUITETURA DO PADRÃO H.323
O padrão H.323 do Internation Telecom Union (ITU-T)9 é um padrão que cobre
diversos tipos de comunicação multimídia em redes locais que não provém QoS
garantida. Este padrão prevê, entre outros [ITU-T RECOMMENDATION H.323, 1996]:
• algoritmos padrões de compressão que devem ser implementados de forma a
garantir a compatibilidade, conhecidos como áudio codecs ou vocders;
• protocolos utilizados para o controle da chamada, estabelecimento dos canais
de comunicação e negociação de qualidade de serviço;
9 Internation Telecom Union (ITU-T), organismo que define padrões para redes de computadores e telecomunicações. Estas redes incluem TCP/IP em cima de Ethernet, Fast Ethernet e Token Ring.
45
• interoperabilidade com outros terminais de voz, como telefonia convencional,
Rede Integrada de Serviços Digitais (RDSI), voz sobre ATM (Asynchronous
Transfer Mode), e outros, permitindo assim a construção de gateways;
• elementos ativos do sistema e suas funções.
5.2.1 PILHA DE PROTOCOLOS
Segundo [MONTEIRO, 2001], os pacotes de áudio, e vídeo e registro usam o
protocolo UDP enquanto que os pacotes de dados e controle usam o protocolo TCP. O
quadro 8 abaixo mostra a pilha de protocolos do H.323.
Quadro 8 - Pilha de protocolos – H.323
Fonte: Implementação de transporte robusto de voz em rede baseadas em
protocolos IP [BARROS, 1999]
O protocolo H.323 utiliza em suas diversas funcionalidades de uma família de
recomendações ITU-T: sinalização de chamada H.225.0, RAS H.225.0 e o controle de
mídia H.245 [SERGIO, 2001]. O H.225.0 é usado em conjunto como o H.323 e fornece a
sinalização para controle de chamada. Para fazer uma chamada de uma fonte para um
receptor, um canal RAS H.225 é usado. Após o estabelecimento da chamada, o H.245 é
usado para negociar o fluxo de mídia. Além dos protocolos citados acima hoje já se utiliza
o protocolo H.335 para segurança, o H.246 para interoperabilidade com RTPC, e a série
H.450.x para serviços suplementares. Todos os padrões fazem parte da série H de
Recomendações. [SERGIO, 2000].
Aplicações de áudio Aplicações de Vídeo Controle e Gerenciamento
G.711 G.723 G.728 G.729
H.261 H.263
H.225.0
Canal de Sinalização de
Chamada
H.245
Canal de Controle
RTP
RTCP Canal RAS
H.225
X.224 Classe 0
UDP TCP Nível de Rede (IP)
Nível de Enlace Nível Físico
46
Aplicação e Áudio Codecs e Vídeo Codecs - utiliza o protocolo Real Time
Control Protocol (RTP) para transmissão de pacotes.
H.225.0: RAS Registration, Admission and Status – o canal RAS é usado
para comunicação entre pontos finais e o gatekeeper (componente que age como ponto
central para todas as chamadas dentro de sua zona, além de provê controle de chamada
entre estações). Uma vez que as mensagens RAS são enviadas utilizando-se o UDP (um
protocolo não confiável), o uso de timeouts e retransmissão de mensagens é
recomendado. Os procedimentos definidos por um canal RAS são:
a) descoberta do gatekeeper: este é o processo utilizado pelos pontos finais para
determinar o gatekeeper no qual eles devem se registrar;
b) registro de ponto final: este é o processo pelo qual um ponto final junta-se
uma zona e informa ao gatekeeper sobre seus endereços e de transporte;
c) localização do ponto final: um ponto final ou gatekeeper que possui um
endereço alias de um ponto final e deseja determinar suas informações de
contato pode utilizar uma mensagem específica;
d) mensagens: o canal RAS também é usado para transmissão de mensagens
de admissão, mudança de largura de faixa, status e desligamento.
RTP/RTCP Real Time Protocol / Real Time Control Protocol -usado para
transporte do fluxo de pacotes multimídia, com características de tempo real, executando
também funções de estatísticas de qualidade de serviços, mais detalhes sobre esses
protocolos serão apresentados posteriormente.
H.225.0: Sinalização de chamada - o canal de sinalização de chamada é usado
para carregar mensagens de controle H.225. Em redes que não possuem uma
gatekeeper, as mensagens de sinalização de chamadas são passadas diretamente entre
o ponto que chamou e o que foi chamado, utilizando-se um endereçamento de sinalização
de chamada.
Em redes que contem um gatekeeper, as trocas de mensagens de admissão
iniciais são feitas entre o ponto que chama e o gatekeeper, através de mensagens de
endereçamento RAS.
H.245: Controle de conferência e mídia - o H.245 é o protocolo de controle de
mídia que os sistemas H.323 utilizam depois que a fase de estabelecimento de chamada
foi completada. O H.245 é usado para negociar e estabelecer todos os canais de mídia
conduzidos pelo RTP/RTCP.
47
O H.245 é usado para possibilitar o uso de canais, o Q.931 é usado para a
sinalização e o estabelecimento da chamada, o RTP é o protocolo de transporte em
tempo real que carrega os pacotes de voz enquanto que o RAS é usado para interação
com o gatekeeper. As funcionalidades oferecidas são as seguintes:
a) determinação de mestre e do escravo: o H.245 designa um Controlador de
Multiponto (MC) que é responsável pelo controle central em caos onde uma
chamada é estendida a uma conferência.;
b) troca de capacidades: o H.245 é usado para negociar as capacidades quando
uma chamada é estabelecida. A troca de capacidades pode ocorrer em qualquer
momento durante a chamada, portanto possibilitando renegociar a qualquer
momento;
c) controle do canal de mídia: após os pontos finais de uma conferência terem
trocado capacidades, eles podem abrir e fechar um canal lógico de mídia;
d) controle de conferência: em conferências, o H.245 fornece aos pontos finais
anúncios mútuos e estabelece o modelo de fluxo de mídia entre todos os pontos
finais.
Q.931 – Mensagem trocadas entre terminais para sinalização de chamada
Multipoint Control Unit (MCU) – o MCU é um ponto final da rede que fornece a
capacidade de três ou mais terminais e gateways de participarem de uma conferência
multiponto. O MCU consiste de um Controlador Multiponto (MC) e Processadores
Multiponto (MP). O MC determina as capacidades comuns dos terminais usando o H.245,
mas ele não executa a multiplexação de áudio, vídeo e dados. A multiplexação dos fluxos
de mídia é feita pelo MP sobre o controle do MC.
É importante observar ainda que os protocolos RTP, RTCP e RAS utilizam na
camada de transporte de protocolo não orientado a conexão User Datagram Protocol
(UDP), ao contrário da dupla H.245/Q.931, que utiliza o protocolo orientado a conexão
TCP.
A recomendação H.323 tem como uma de suas características a flexibilidade,
pois pode ser aplicada tanto à voz, quanto a vídeo conferência e multimídia. Aplicações
H.323 estão se tornando populares no mercado corporativo por várias razões, dentre elas
pode-se citar:
48
a) o H.323 define padrões de Voz para uma infra-estrutura existente, além de ser
projetada para compensar o efeito de latência em LANs, permitindo que os
clientes possam usar aplicações de voz sem mudar a infra-estrutura de rede;
b) as redes baseadas em IP estão ficando mais velozes, além da largura de
banda para redes com arquitetura Ethernet estarem migrando de 10 Mbps para
100 Mbps, e a Gigabit Ethernet está fazendo progressos no mercado;
c) o H.323 provê padrões de interoperabilidade entre LANs e outra redes;
d) o fluxo e dados em redes podem ser administrados. Com o H.323, o gerente
de rede pode restringir a quantidade de largura de banda disponível para
conferências e voz. O suporte à comunicação Multicast também reduz
exigências de largura de banda;
e) a especificação H.323 tem o apoio de muitas empresas de comunicação e
organizações, incluindo a Intel, Microsoft, Cisco e IBM. Os esforços destas
companhias estão gerando um nível mais alto de consciência no mercado.
De acordo com [NÓBREGA, 2001], a ITU-T propôs o padrão H.323, sendo mais
difundido atualmente, especialmente por ser o precursor da Telefonia IP e ser o primeiro
padrão a tratar deste tema. As principais características deste padrão são:
a) especifica algoritmos padrões de compressão que devem ser implementados
de forma a garantir compatibilidade, conhecidos como áudio codecs ou
vocoders;
b) cria protocolos utilizados para o controle da chamada, estabelecimento dos
canais de comunicação e negociação de qualidade de serviço;
c) permite a interoperabilidade com outros terminais de voz, como telefonia
convencional, Rede Integrada de Serviços Digitais (RDSI), voz sobre ATM e
outros, permitindo assim a construção de gateways;
d) descreve elementos ativos do sistema e suas funções.
Terminal H.323 – Computador onde está implementado o serviço de telefonia
IP, atuando como terminal de serviço de telefonia IP, como terminal de voz, vídeo e
dados, através de recursos multimídia. Esses são os clientes da Local Area Network –
LAN (redes locais) que fornecem comunicação em tempo real e nas duas direções. Todos
os terminais H.323 têm que suportar o H.245, Q.931, Registration Admission and Status
(RAS) e Real Time Protocol (RTP).
49
Os terminais H.323 podem também incluir o protocolo de conferencia de dados
T.120, codificadores de vídeo e suporte para Multipoint Control Unit (MCU). Um terminal
H.323 pode comunicar com outro terminal, um gateway ou um MCU;
Gateway H.323 – Elemento situado entre uma rede IP e outra de
telecomunicações, como o sistema telefônico convencional (RTPC), rede integrada de
serviços digitais (RDSI), rede de telefonia celular; de forma a permitir a interoperabilidade
entre as duas redes.
Um gateway H.323 é um ponto final da rede que fornece comunicação em tempo
real nas duas direções entre terminais H.323 em uma rede IP e outros terminais ITU em
uma rede comutada ou para outro gateway H.323. Eles executam a função de translação
entre diferentes formatos de dados.
Os gateways são opcionais em uma rede local (LAN) onde os terminais se
comunicam diretamente, mas quando os terminais precisam se comunicar com um ponto
final em outra rede, a comunicação se faz via gateway através dos protocolos H.245 e
Q.931.
Gatekeeper – Ele é o componente mais importante de um sistema H.323 e
executa a função de gerente. Ele atua como ponto central para todas as chamadas dentro
de sua zona (é a agregação do gatekeeper e dos terminais registrados nela), e fornece
serviços aos pontos finais registrados. Algumas das funcionalidades que os gatekeepers
fornecem são:
a) tradução de endereços: tradução de um endereço alias (o endereço alias
fornece um método alternativo de endereçamento de um ponto, ele pode ser um
endereço de e-mail, um número telefônico ou algo similar) para um endereço de
transporte. Isto é feito usando-se uma tabela de tradução que pode ser
atualizada através de mensagens de registro;
b) controle de admissão: o gatekeeper pode permitir ou negar acesso baseado
em autorização de chamada, endereço de fonte e destino, etc;
c) sinalização de chamada: o gatekeeper controla o processo de sinalização
entre dois pontos finais que querem se conectar;
d) autorização de chamada: o gatekeeper pode rejeitar chamadas de um
terminal devido às falhas de autorização através do uso de sinalização H.225. As
razões para rejeição poderiam ser acessos restritos durante alguns períodos de
tempos ou acesso de certos terminais ou gateways;
50
e) gerenciamento de largura de faixa: Controle do número de terminais que
podem acessar simultaneamente a rede. Através do uso da sinalização H.225, o
gatekeeper pode rejeitar chamadas de um terminal devido à limitação de largura
de faixa;
f) gerenciamento da chamada: O gatekeeper pode manter uma lista de
chamadas H.323 em andamento. Essa informação pode ser necessária para
indicar que um terminal chamado está ocupado, e fornecer informações para a
função de gerenciamento de largura de faixa.
5.3 PROTOCOLOS PARA TEMPO REAL
Existem protocolos na camada de aplicação que se propõem a melhorar a
entrega de dados que devem ser transmitidos pelos aplicativos em tempo real, como por
exemplo: áudio e vídeo interativos. Como uma conversação telefônica também acontece
em tempo-real faz-se necessário à utilização de protocolos especiais para tempo-real que
auxiliam (de forma a torná-lo mais eficaz) o processo de transmissão da voz. Podemos
citar entre outros os protocolos RTP e RTCP.
5.3.1 REAL-TIME TRANSPORT PROTOCOL (RTP)
O protocolo RTP provê serviços de entrega fim-a-fim para dados que possuem
características de tempo-real. Suporta transferência de dados para múltiplos destinos,
usando distribuição multicast e também possui habilidades como: reconstrução de
sincronismo, detecção de perda de datagramas, segurança, entre outras. Porém não
implementa as funcionalidades de garantia de qualidade de serviço e garantia de entrega.
As aplicações geralmente usam o RTP juntamente com o UDP, porém pode ser usado
com outros protocolos de transporte.
A Figura 11 mostra como fica um pacote IP utilizando os protocolos ideais para a
transmissão de voz.
Figura 11 - Dados RTP em um pacote IP
51
O campo payload type inclui o esquema de codificação usado pelo media
gateway para digitalizar a voz. Isso auxilia o receptor a reconstruir a voz de acordo com o
algoritmo especifico de codificação que foi utilizado pelo transmissor.
5.3.2 REAL-TIME TRANSPORT CONTROL PROTOCOL (RTCP)
RTCP é um protocolo que pode ser usado juntamente com o RTP, porém sua
utilização não é necessária para que o RTP funcione. Trata-se de um protocolo opcional
cuja principal função é transmitir periodicamente pacotes de controle para os participantes
de uma conversação com o objetivo de monitorar a qualidade de serviço e transportar
informações úteis de tais participantes. Trata-se de um protocolo bastante utilizado em
aplicações de vídeo-conferência.
Embora as informações retornadas pelo RTCP não informem onde determinado
problema está ocorrendo (somente informa que está ocorrendo um problema), elas
podem servir como ferramenta para localizar o problema. Pois as informações podem ser
geradas por diferentes gateways em uma rede. Isso ajuda a delimitar a área da rede em
que o problema pode estar ocorrendo.
A quantidade de largura de banda utilizada pelo RTCP deve ser pequena para
que não atrapalhe no transporte dos dados (no caso a voz). Algumas especificações do
IETF recomendam que a fração de largura de banda que deve ser usada pelo RTCP deve
ser 5% da largura utilizada pelo RTP.
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6. PROTOCOLO SIP E AS TENDÊNCIAS FUTURAS
Neste capítulo, faz-se uma comparação entre o protocolo padrão atual o H.323 e
um outro que vem ganhando força e confiabilidade o Session Iniciation Protocol�mais
comumente chamado de SIP.
Assim, passam a existir dois padrões principais: H.323 e o SIP. O primeiro
oficializado em 1996 pelo ITU-T, enquanto o SIP nasceu três anos depois, das mãos do
IETF. Ambos foram criados com o mesmo objetivo: possibilitar o tráfego de voz e
multimídia sobre IP.
É importante lembrar que ao contrário de outros protocolos que se baseiam no
modelo centralizado, o H.323 e o SIP utilizam a inteligência dos equipamentos na ponta.
Mas as similaridades entre os dois param por aí. Aliás, há uma competição saudável dos
protocolos.
Como o H.323 tem mais tempo de estrada, está hoje em vantagem, sendo
utilizado por grande parte das operadoras tradicionais do mercado VoIP. No entanto, o
SIP vem ganhando cada vez mais espaço no setor, principalmente nos EUA e Europa,
por sua facilidade de permitir o desenvolvimento de aplicações. Vale ainda frisar que o
pouco tempo de vida do protocolo não significa imaturidade do mesmo. Muito pelo
contrário. O fato de o SIP ser três anos mais novo que seu principal concorrente lhe dá
vantagens, em termos de flexibilidade e pelo fato de rodar nos padrões da Internet.
Na prática, um dos problemas sentidos nos projetos corporativos está
exatamente nessa dificuldade de fazer com que equipamentos de marcas diferentes
conversem entre si. Nesse sentido, o H.323 tende a perder espaço com o tempo, por ser
um protocolo fechado. [TRADESYS, 2005]
A tendência é que as empresas partam para o SIP, pois o protocolo é aberto e
permite a criação de novas aplicações corporativas. O SIP é uma evolução natural do
mundo de VoIP, pois permite uma interoperabilidade entre os dois protocolos.
Os fornecedores, por seu lado, não ignoram tal tendência. Para abocanhar um
pedaço do crescente mundo de voz sobre IP, os fabricantes vêm lançando produtos
compatíveis com o SIP. A principal justificativa desses novos produtos é ter que lidar com
um legado de equipamentos antigos, que rodam nativamente H.323, mas que, por outro
lado, tendem a adotam ambientes compatíveis com aplicações mais avançadas rodando
SIP. Portanto, considera-se que os padrões como complementares. A tendência é que,
gradativamente, o H.323 saia de cena e o SIP seja largamente implementado por todas
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as operadoras como o novo padrão de mercado. Independente do desfecho dessa
batalha de protocolos, as empresas já estão sendo beneficiadas pela competição, a qual
cria um leque mais extenso de produtos.
6.1 SIP X H.323
Uma das formas de definir o padrão mais adequado para o ambiente de cada
empresa é avaliar, do ponto-de-vista técnico, os benefícios e as carências dos dois
protocolos. na comparação de escalabilidade, por exemplo, em ambientes com alto
tráfego de chamadas, o SIP exige menos ciclos de processamento para gerar a
sinalização de mensagens. Com isso, o servidor tem condições de, teoricamente,
manusear mais transações do que o H.323, que usa mensagens definidas no H.225 para
ajustar o Gatekeeper a executar o balanceamento de carga.
Para os que estão interessados em aplicações de videoconferência, por outro
lado, o H.323 suporta inteiramente conferência de vídeo e dados. Os procedimentos estão
alocados para fornecedor controle para as reuniões virtuais, assim como a sincronização
de áudio e vídeo. Uma vantagem em relação ao SIP, que apresenta suporte limitado a
imagens e não conta com protocolos de conferência de dados, com o T.120.
Em compensação, o SIP sai na frente no quesito de segurança, ao utilizar
autenticação por HTTP (Hypertext Transfer Protocol), SSL (Secure Sockets Layer) e PGP
(Pretty Good Privacy), sendo bastante escalável, termos esses que não serão explicados
nesse trabalho, somente citados para efeito didático. Já o H.323 usa apenas o H.235
(Gateway to Gatekeeper) como descritos anteriormente.
Quadro 9 - Comparativo entre H.323 e SIP
H.323 SIP
Arquitetura O H.323 cobre quase todos os serviços, como capacidade de troca, controle de conferência, sinalização básica, QoS, registro e outros
O SIP é modular e cobre todas as sinalizações de chamada básica, locação de usuários e registro. Outras características estão separadas em um protocolo ortogonal.
Componentes Terminal/Gateway Gatekeeper
Ua Servers
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Protocolos RAS/Q.931 H.245
SIP SDP
Transferência de chamadas
Sim Sim
Captação de ligação Sim Sim
Chamada em espera Sim Sim
Indicação de chamada em espera
Sim Não
Finalização de chamada Sim Sim
Intrusão de chamada Sim Não
Sinalização Multicast Sim, por meio de location requests (LRQ) e auto gatekeeper discovery (GRQ)
Sim, por meio do group invites
Controle de chamadas de terceiros
Sim Sim
Conferência Sim Sim
Grade quantidade de chamadas
O controle de chamadas H.323 pode ser implementado de vários modos. o Gateway tem capacidade para usar mensagens definidas no H.225, ajudando o Gatekeeper a executar o balanceamento de carga nos gateways.
O controle de chamada por ser implementado de vários modos. O SIP suporta N para N entre as UAs e servidores, também exige menos ciclos de CPU para gerar a sinalização de mensagens e com isso pode teoricamente manusear mais transações. O protocolo tem um método específico para balanceamento sob o mecanismo DNS SRV.
Internacionalização Sim, o H.323 usa Unicode (BMPString com ASN.1) para algumas informações textuais (h323-id), mas geralmente tem poucos parâmetros
Sim, o SIP usa Unicode (ISO 10646-1), codificado como UTF-8 para todos os caracteres.
Segurança Define mecanismos de segurança e facilidade de negociação com o H.235 e pode ainda usar SSL.
O SIP suporta autenticação de chamadas com mecanismos HTTP. A autenticação segura e encriptação é suportada por SSL/TSL.
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Tarifação Mesmo com o modelo de chamada direta do H.323, a capacidade de tarifar não é permitida porque o cliente informa ao Gatekeeper o começo e o fim da chamada via protocolo do RAS.
Se o proxy SIP quiser coletar informações de faturamento, não tem nenhuma escolha a não ser permanecer na chamada sinalizando o caminho para a duração inteira, de modo a captar quando termina.
Codecs O H.323 suporta qualquer codec, proprietário ou padrão, não apenas os codecs da ITU-T. Os tipos de carga podem estar especificados estaticamente ou dinamicamente.
O SIP suporta qualquer codec IANA ou outro codec cujo nome mutuamente é concordado entre ambos. Os tipos de carga podem estar especificados estaticamente ou dinamicamente.
Divisão de chamada O H.323 codifica mensagens em um formato binário compacto que combina com conexões banda larga e estreita
As mensagens SIP são codificadas no formato ASCII
Endereçamento Mecanismo de endereçamento flexível, incluindo URL e E.164
O SIP apenas entende endereços do tipo URL
Conferência de vídeo e dados
O H.323 suporta inteiramente conferência de vídeo e dados. Os procedimentos estão alocados para fornecer controle para a conferência assim como a sincronização de áudio e vídeo.
O SIP tem suporte limitado para vídeo e não tem suporte para protocolos de conferência de dado com o T.120. O SIP não tem protocolos para controlar conferências e muito menos mecanismos de sincronização.
Fonte: O que é o protocolo SIP [TRADESYS, 2005]
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7. CONCLUSÕES
Existem outros mecanismos para controle de tráfego, inibição de
congestionamento e técnicas de enfileiramento para qualidade de serviços, mas a maioria
é similar ou derivada das tecnologias apresentadas nesse trabalho. Assim, com essas
alternativas técnicas e protocolos, possibilitam um melhor gerenciamento do tráfego,
integração das formas de comunicação com os serviços de TI, unificação das plataformas
de voz e dados.
Destaca-se aqui a contribuição dos fabricantes de roteadores e switches, que
continuamente lhes agregam características específicas para uso do VoIP, garantindo
dessa forma os benefícios diretos do VoIP sobre a telefonia convencional, reduzindo os
custos de chamadas interurbanas e praticamente eliminando os de chamadas matriz-filial-
filial, graças à inteligência dos switches e centrais telefônicas digitais das redes VoIP, que
localizam o acesso mais próximo do destino da ligação e a completa com o custo de
ligação local. Os custos com infra-estrutura são apenas uma fração do custo total para
uma rede que adota recursos de telefonia. Ao utilizar a rede de dados existente para
trafegar voz, as chamadas telefônicas têm custo muito menor, uma vez que não estão
utilizando a rede pública de telefonia. Essa economia viabiliza o retorno do investimento
em um curto espaço de tempo.
O desenvolvimento e a expansão de uma nova tecnologia só acontecem a partir
de uma justificativa clara e sustentável. O VoIP tem conseguido demonstrar benefícios
para os usuários e deve se firmar seu sucesso a longo prazo. Os benefícios da tecnologia
podem ser divididos dentro de quatro categorias:
Redução de Custos: Apesar da redução de custos das chamadas de longa
distância pelas companhias telefônicas, esse assunto é bastante popular para a
introdução do VoIP. Os preços fixos para acesso a Internet podem se configurar numa
excelente oportunidade para reduzir os custos de voz e fax. Estima-se que 70% dos
custos de transmissão de fax entre os Estados Unidos e Ásia poderiam ser substituídos
por FoIP (Fax over IP). Essas reduções de custos estão baseadas em evitar o uso das
chamadas internacionais e estatuais usando a infra-estrutura da Internet do que a
redução dos custos globais de um melhor compartilhamento dos equipamentos e rede
pelos provedores de telecomunicações. Esse melhor compartilhamento levará uma
redução de custos em larga escala para a voz.
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Simplificação: A integração da infra-estrutura que suporta todas as formas de
comunicação permitirá uma maior padronização e redução nos investimentos em
equipamentos. Esta infra-estrutura compartilhada pode aperfeiçoar o uso da largura de
banda e a minimização dos custos de redundância da topologia de rede. As diferenças
nos padrões de uso de voz e dados oferecem oportunidades adicionais para melhor a
eficiência das redes de comunicações.
Consolidação: Uma vez que pessoas estão nas extremidades das redes,
qualquer oportunidade para combinar operações, eliminar pontos de falhas e consolidar
atividades que gerem custos. Nas empresas, o uso de sistema de gerenciamento de rede
centralizado, monitorando voz e dados trazem excelentes benefícios tanto de redução de
custos como de agilidade na determinação de problemas.
Aplicação Avançada: Embora os serviços básicos de telefonia e fax sejam as
aplicações iniciais do VoIP no longo prazo é esperado o uso de aplicações multimídia e
aplicações multiserviços. Por exemplo, as soluções de e-commerce combinadas com
acessos a Web e sendo atendido pelo call-center.
A evolução da tecnologia VoIP, segundo a International Data Corporation – IDC
(empresa no ramo da tecnologia da Informação e está presente em mais de 46 países)
tomará grande parte do mercado. Ou seja, mesmo com a estabilização ou queda do
mercado de telecomunicações, esses serviços crescem por substituir, com muito mais
economia, as tradicionais opções de linhas de telefonia convencional. A tecnologia VoIP
não causará o fim da utilização da telefonia convencional em ambientes corporativos, mas
certamente será responsável por uma fatia considerável em ligações de longa distância.
Assim, os investimentos em técnicas de qualidade de serviço como as
apresentadas nesse trabalho (controle e inibição de congestionamento, compressão de
RTP, fragmentação e policiamento de tráfego, etc.) são fundamentais para o atendimento
tanto das grandes quanto das médias empresas. As de maior porte geralmente possuem
departamentos de telecomunicações com capacidade de gerenciamento para
acompanhar os níveis de serviço. No entanto, a pressão para diminuir custos de ligações
tende aos poucos a transferir essa função à operadora. Já as de menor porte não
possuem pessoal nem orçamento para essa finalidade e têm de conviver com o mínimo
possível de problemas.
Também surge nesse contexto o SIP, abordado nesse trabalho de forma
superficial, mas que promete ter grande impacto na maneira como nos comunicaremos
em tempo-real: com celulares ou telefones comuns, via mensagens instantâneas, ou
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utilizando qualquer dispositivo baseado em IP. O SIP é um protocolo que pode ser
composto e gerenciado em qualquer dessas sessões, independente do tipo de dispositivo
utilizado (chamada telefônica, mensagens instantâneas, jogos, ou até em vídeo ao vivo).
De fato, o potencial do SIP extrapola a sua simplicidade e flexibilidade e já é bastante
utilizado em pesquisas substituindo de forma satisfatória o H.323.
Conclui-se neste trabalho que a tecnologia de voz sobre IP, em tempo real pode
ocorrer de maneira satisfatória dentro de áreas metropolitanas ou de redes corporativas.
Como a estrutura da rede IP é bastante simples e utilizada no mundo todo, isso ajuda
muito a perceber as vantagens que voz sobre IP pode proporcionar para as empresas,
utilizando-a, por exemplo, para o serviço de voz. Entretanto quando distâncias maiores
são consideradas, os problemas de degradação da qualidade de comunicação podem
comprometer significativamente ou mesmo inviabilizar a realização da conversão. Nesse
sentido, a QoS permitirá a oferta de gerenciamento e banda por demanda, além de outros
serviços disponíveis no mercado, que está muito mais avançado nessa área.
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8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFIAS
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![FERRAMENTA PARA COMUNICAÇÃO VOIP … · tecnologia chama-se Voz sobre IP ou VoIP [Monteiro 2000]. Em redes que não oferecem garantia de qualidade de serviço, como é o caso da](https://static.fdocumentos.com/doc/165x107/5ba429ad09d3f21e368ce6b7/ferramenta-para-comunicacao-voip-tecnologia-chama-se-voz-sobre-ip-ou-voip.jpg)
