1. Tecnología IPLección 2: Implementación de un sistema de VoIP Ing. Gabriel Astudillo B. Escuela Superior Politécnica del Litoral Marzo del 2011

2. Agenda Planificación de una red convergente Los planes de numeración G.7xx Codecs Cálculo de Requerimientos de ancho de banda VoIP Convergencia de Tecnologías inalámbricas IP Multimedia Subsystem (IMS) Fax Tele-presencia Mensajería unificada Servicios de Video Normas de conferencia multimedia T.120 Dispositivos convergentes comunes

3. Planificación de una red convergente La planificación de una red para que transporte trafico VoIP así como paquetes de datos, requiere de una comprensión de las características que se requieren en los routers y switches de la red. Conocer la cantidad de ancho de banda que se requiere para transportar las conversaciones de VoIP y consecuencias de transportarlas sobre un menor ancho de banda del necesario. Este proceso lo podemos dividir en cuatro etapas: Requerimientos de calidad de voz Selección de codecs Diseño de la red Planeamiento de la capacidad

4. Requerimientos de calidad de voz Los usuarios tienen ciertas expectativas de calidad para la comunicación telefónica. Al menos se espera que la conversación se escuche como si estuviera en un enlace telefónico TDMordinario. El sistema más comúnmente utilizado es el nivel de opinión media (MOS) entre 1 y 5 (excelente). Llamadas VoIP que funcionan correctamente se sitúan entre 3.5 y 4.2 Una puntuación de 4.0 se define como la calidad promedio

5. Requerimientos de calidad de voz Otros sistemas de medición de la calidad son factor R, PSQM, PESQ yPAMS, se les puede asignar un valor MOS para comparación. La puntuación de MOS es una indicación de lo que los usuarios piensan acerca de la llamada. Fue desarrollado a través de encuestas a usuarios de diferentes tecnologías, pero hoy en día se calcula a través de la utilización de fórmulas de ingeniería.

6. MOS

7. Selección del Códec El dispositivo de VoIP (teléfono IP, gateway, PBX o tarjeta) codifica la voz en un formato de paquete de red IP, y otro dispositivo descifra los datos de nuevo en voz en el otro extremo. Hay diferentes codecs disponibles para su uso cada cual tiene calidades diferentes y diferentes requisitos de ancho de banda. Básicamente, si se quiere que las llamadas utilicen menos ancho de banda deberá impactar en una reducción en la calidad de la llamada.

8. Selección del Códec Los códecs de baja velocidad utiliza un ancho de banda menor lo cual repercute en un menor consumo de BW. Sin embargo aumentan la carga de procesamiento así como reducen la calidad de la llamada si la misma se codifica y se decodifica en varias ocasiones entre un extremo y otro. Si un usuario se conecta remotamente a la oficina usando un teléfono IP con codificación G.729 y luego llama a celular (GSM), la calidad de la llamada en general tendrá un MOS de 2,68. Esto se debe a la degradación de la calidad de la llamada cada vez que se codifica y decodifica.

9. Diseño de la Red

10. Los planes de numeración Los sistemas de direccionamiento más usuales son: E.164: La Recomendación ITU-T que se emplea en la PSTN. URI: Uniformresourceidentifier, usado en Internet. ENUM: Direccionamiento basado en números E.164 GDS: Global DiallingScheme DUNDi: Distributed Universal NumberDiscovery

11. E.164 Es una recomendación UIT-T que define el plan de numeración de las telecomunicaciones públicas internacionales, utilizado en la RTPC y algunas otras redes de datos. Define el formato de los números de teléfono Números E.164 puede tener un máximo de quince cifras y se escriben normalmente con un prefijo +

12. E.164 Estructura numérica para aéreas geográficas http://www.itu.int/oth/T0202.aspx?lang=es&parent=T0202

13. E.164

14. Uniform Resource Identifier Es una cadena corta de caracteres que identifica inequívocamente un recurso (servicio, página, documento, dirección de correo electrónico, enciclopedia, etc) Un URI consta de las siguientes partes: Esquema: nombre que se refiere a una especificación para asignar los identificadores, e.g. urn:, tag:, http:, mailto:, ftp:. Autoridad: elemento jerárquico que identifica la autoridad de nombres (por ejemplo //es.wikitel.info).

15. Uniform Resource Identifier Ruta: Información usualmente organizada en forma jerárquica, que identifica al recurso en el ámbito del esquema URI y la autoridad de nombres (/wiki/Uniform_Resource_Identifier). Consulta: Información con estructura no jerárquica (usualmente pares "clave=valor") que identifica al recurso en el ámbito del esquema URI y la autoridad de nombres. El comienzo de este componente se indica mediante el carácter '?'. Fragmento: Permite identificar una parte del recurso principal, o vista de una representación del mismo. El comienzo de este componente se indica mediante el carácter '#'.

16. ENUM (tElephone Number Mapping) ENUM basa su funcionamiento en los DNS y un protocolo de mapeo de números de la recomendación E.164 de la ITU en URIs de manera que toda la información relacionada con un usuario se centralice en el DNS almacenada en los registros NAPTR. Los registros NAPTR se utilizan para identificar formas disponibles de contactar con un usuario: telefonía fija, móvil, VoIP, correo electrónico, fax, web, coordenadas GPS o servicios de mensajería.

17. ENUM (tElephone Number Mapping)

18. ENUM (tElephone Number Mapping) El servidor DNS que alberga la entrada, tiene registrados los servicios (sip, mail, http, web) publicados para dicho número Ejemplo de entrada en Bind: $ORIGIN 5.4.3.2.1.0.4.4.9.4.3.e164.arpa. NAPTR 10 100 "u" "E2U+sip" "!^.*$!sip:fulano@foo.com!" . NAPTR 10 101 "u" "E2U+msg" "!^.*$!mailto:fulano@foo.com!" Prioridad 1: contactar vía SIP con fulano@foo.com Prioridad 2: contactar por correo con fulano@foo.com

19. ENUM Llamada desde un teléfono IP al +34944991234

20. ENUM ENUM soportado por algunos proxies, Asterisk y algunos teléfonos SIP. El DNS .e164.arpa no tiene aún las zonas subdelegadas de muchos países Alternativa: e164.org Servidor DNS privado independiente, permite al usuario asociar su número de teléfono convencional a una dirección VoIP, correo, web...

21. TIPOS DE ENUM Publico, privado y de infraestructura En el ENUM público o de usuario debe obtener tres elementos del proveedor del servicio: Un URI personal. Un número E.164 ENUM, Un permiso para que el usuario pueda escribir sus preferencias de desvío y terminación de llamadas en el registro NAPTR. Los elementos que intervienen directamente en el ENUM público son: el abonado o registrante, el registrador, el registro y el regulador.

22. GDS Plan Global de marcación Es un nuevo plan de numeración global para transmisiones de video y voz sobre IP, desarrollado por ViDeNet. Con GDS, puede numerar cada terminal participante de la videoconferencia, el MCU de conferencia y el gateway. GDS ofrece marcación fácil, uniforme en todo el mundo. Cada número básico consta de cuatro partes: <IAC> <CC> <op> <EN>

23. GDS Plan Global de marcación Código de Acceso Internacional (IAC) 00 Un código de país (CC) Un prefijo Organizacional (OP) Número del terminal (ES) puede ser cualquier número y es decidido por cada organización. Cada número debe ser único 00 (IAC) 1 (CC) 189 (OP) 7201234 (ES) : 0011897201234 El GDS también define un plan de marcado alfanumérico:<ID estación>@ <nombre de dominio del centro>egon.verharen @ surfnet.nl

24. DUNDi: Distributed Universal NumberDiscovery DUNDI nos permite crear una red P2P de PBXs, donde cada una “publica” números de teléfono para los que es responsable, como sus extensiones locales, números para la que es la ruta de menor coste, etc. Cada sede publica sus extensiones propias, de forma que el resto pueda localizarlas. ¿Quién tiene la extensión 329? Esta consulta se enviaría, directa o indirectamente, a todos los equipos (peers) de la red DUNDI. La centralita que sirva esa extensión responderá algo como “IAX2/usuario:clave@1.2.3.4/329″

25. DUNDi: Distributed Universal NumberDiscovery El protocolo DUNDi utiliza por defecto el puerto 4520/UDP. Habrá que abrirlos en los firewalls. Es independiente de IAX, es decir, la cadena de conexión devuelta en una consulta puede hacer referencia a cualquier tipo de canal (IAX2, SIP, H323, etc), aunque normalmente se usa el IAX2.

26. Codecs G.7xx Los códecs se utilizan para transforma la señal de voz analógica en una versión digital. Los Softphones, Hardphones, PBX-IP ... soportan una serie de códecs cada uno. Cuando hablan entre si negocian un códec común. Aspectos a tener en cuenta por códec: Calidad de sonido Ancho de banda requerido Requisitos de computo

27. Codecs G.7xx Códecs: Cómo se codifica la voz ? El principio de PCM es que la amplitud de la onda analógica es muestreado a intervalos especificos que pueden ser recreados luego

28. Códecs: Cómo se codifica la voz ? Codecs G.7xx

29. Codecs G.7xx Códecs: Cómo se codifica la voz ?

30. Codecs G.7xx Códecs: Cómo se codifica la voz ?

32. Codecs Cuando se muestrea una señal, la señal de muestreo debe ser al menos el doble del ancho de banda de la señal de entrada, con la finalidad de reconstruir perfectamente la señal a partir de la muestra tomada. Si la voz esta entre los 300 y 4.000 Hz una frecuencia de 8.000 muestras por segundo reconstruirá perfectamente la señal. Si se utilizan 8 bits para cuantizar la señal se necesitarían=8 bits x 8.000 Hz=64 kbps (G.711 o PCM puro)

33. Codecs Fuentes: cisco.com (ID:7934), terracal.com (FAQ), asteriskguru.com Bandwithcalculator)

34. G.711 Es uno de los codecs más usados de todos los tiempos y proviene de un estándar ITU-T que fue liberado en 1972. u-law y a-law. Una de sus características es la calidad de voz debido a que casi no la comprime. Utiliza64kbit/s, es decir un muestreo de 8 bits a 8kHz. Es el codec recomendado para redes LAN pero hay que pensarlo dos veces antes de utilizarlo en enlaces remotos debido al alto consumo de ancho de banda.

35. G.729 Recomendación ITU cuyas implementaciones son licenciadas, o sea que hay que pagar por ellas. Alta compresión y por ende bajo consumo de ancho de banda lo que lo hace atractivo para comunicaciones por Internet. Pese a su alta compresión no deteriora la calidad de voz significativamente y por esta razón ha sido ampliamente usado a través de los años por muchos fabricantes. G.729 utiliza 8kbit/s por cada canal. 8 veces menos que G.711

36. GSM Muchas personas suelen preguntar si el códec GSM tiene algo que ver con el estándar de comunicaciones celulares y la respuesta es que sí. La ventaja de este códec también es su compresión, aproximadamente a 13kbit/s Acerca de la calidad de voz…

37. Cálculo de ancho de banda VoIP Para transportar la voz de un lugar a otro necesitamos la ayuda de algunos protocolos; pero estos protocolos transmiten data adicional que ocupa ancho de banda extra a la voz: Ethernet, IP, UDP, RTP. El ancho de banda real para transmitir voz es mayor al del codec. Con G.711 en teoría deberíamos usar 64Kbps pero en realidad usamos 95.2Kbps de BW.

38. Cálculo de ancho de banda VoIP

39. Cálculo de ancho de banda VoIP Hoy en día los codificadores utilizados son de tasa de datos constante, esto da lugar a un tipo de tráfico particular que tiene dos características bien claras que simplifican el análisis: Tasade paquetes (Pr) constante. Tamaño de paquete (Pl) fijo. Si suponemos que de alguna forma pudiéramos calcular estos dos parámetros, se haría muy simple calcular el ancho de banda. Lo único que habría que hacer esmultiplicarlos.

40. Cálculo de ancho de banda VoIP Calculemos el ancho de banda para G.711 basándonos en la figura anterior. Bytes transmitidos cada 20ms: 38 + 20 + 12 + 8 + 160 = 238 bytes Bits transmitidos cada 20ms: 238 bytes * 8 bits/byte = 1904 bits Bits transmitidos cada segundo: 1904 bits/frame * 50 frames/seg= 95,200 bits/segundo = 95.2Kbps

41. Cálculo de ancho de banda VoIP http://www.lairent.com.ar/lairent/BWCalc/index.html

42. IP Multimedia Subsystem (IMS) El IMS o “IP Multimedia Subsystem”, normalizado por 3GPP es una nueva arquitectura basada en nuevos conceptos, tecnologías, actores y ecosistema. El IMS soporta sobre una red toda IP, las sesiones aplicativas en tiempo real (voz, video, conferencia) y no tiempo real (“Push To Talk” o “PTT”, Presencia, Mensajería Instantánea). El IMS integra adicionalmente el concepto de convergencia de servicios soportados por redes de naturaleza distinta: fijo, móvil o Internet.

43. IP Multimedia Subsystem (IMS) IMS es concebido para ofrecer a los usuarios la posibilidad de establecer sesiones multimedia usando todo tipo de acceso de alta velocidad y una conmutación de paquetes IP. El IMS provee una red IP multi-servicio, multi-acceso, segurizada y confiable : Multi-servicios: todo tipo de servicios ofrecidos por una red ”corazon” soportandodiferentes niveles de calidad de servicio podrán ser ofrecidos al usuario. Multi-acceso: toda red de acceso “banda ancha”, fija y móvil, podrá conectarse al IMS.

44. IP Multimedia Subsystem (IMS) Servicios de comunicaciones en tiempo no real, seudo tiempo real y tiempo real según una configuración cliente-servidor o entre entidades pares. La movilidad de servicios / movilidad del usuario (nomadismo) Varias sesiones y servicios simultáneamente sobre la misma conexión de red.

45. Arquitectura de la red IMS La arquitectura IMS puede ser estructurada en 4 capas: La capa de ACCESO puede representar todo acceso de alta velocidad tal como: “UMTS”, “UTRAN”, “CDMA2000”, “xDSL”, redes de cable, “Wireless IP”, “WiFi”. La capa de TRANSPORTE representa una red IP, que integra mecanismos de calidad de servicios con MPLS, Diffserv, RSVP. La capa de transporte esta compuesta de enrutadores o routers (edge routers para el acceso y core routers para el transito), conectados por una red de transmisión. Distintas pilas de transmisión pueden ser contempladas para la red IP: IP/ATM/SDH, IP/Ethernet, IP/SDH, etc.

46. Arquitectura de la red IMS La capa CONTROL consiste en controladores de sesión responsables del encaminamiento de la señalización entre usuarios y de la invocación de los servicios. Estos nodos se llaman “Call State Control Function” o CSCF. El IMS introduce entonces un ámbito de control de sesiones sobre el campo de paquetes. La capa APLICACIÓN introduce las aplicaciones (servicios de valor agregado) propuestas a los usuarios. Consiste en servidores de aplicación “Aplication Server” o “AS” y “Multimedia ResourceFunction” o “MRF” que los proveedores llaman Servidores de Media IP (“IP Media Sever” o “IP MS”

47. Arquitectura de la red IMS

48. Conceptos subyacentes en IMS Un conjunto de necesidades han sido definidos durante la concepción del IMS : Conectividad IP : El usuario debe disponer de la conectividad IP para acceder a los servicios IMS. Por otra parte, el protocolo Ipv6 es necesario. La razón fundamental que justifica el uso del Ipv6 es la carencia de direcciones Ipv4 para permitir a cada móvil disponer de una dirección IP con un modo de “acceso permanente”. Nuevos servicios tales como el acceso permanente, la auto-configuración, las aplicaciones en tiempo-real (telefonía), la seguridad etc... pasaran, en un futuro cercano, las posibilidades de la tecnología NAT.

49. Conceptos subyacentes en IMS Garantía de Calidad de Servicio del los servicios multimedia en internet, el tipo de QoS ofrecido es “BestEffort”. Las redes de acceso y de transporte del IMS ofrecerán QoS del principio al final de la cadena. El terminal negocia sus capacidades y expresa sus exigencias de QoS durante la fase de establecimiento de sesión con SIP. En paralelo, el terminal reserva los recursos necesarios en la red de acceso utilizando un protocolo de reserva de recursos. (RSVP, SM/GTP1)

50. Conceptos subyacentes en IMS Control Político : El control político IP significa la capacidad de autorizar y controlar el uso del trafico a nivel de media en el IMS, sobre la base de parámetros de la señalización SIP intercambiada durante el establecimiento de la sesión. Eso requiere interacciones entre la red de acceso y la capa de control logrado gracias al protocolo “Common Open PolicyService” o COPS.

51. Conceptos subyacentes en IMS Comunicaciones Segurizadas : el IMS brinda mecanismos de seguridad similares a los delas redes GSM y GPRS Facturación : el IMS brinda distintos modelos de tasación : off-line (pospago) y on-line (prepago). Soporte de Roaming : el usuario puede acceder a sus servicios IMS desde cualquier red IMS visitada. La movilidad del usuario (nomadismo) y de sus servicios son tomados en cuenta.

52. Conceptos subyacentes en IMS Interoperatividadcon otras redes : el IMS no va a ser desplegado en todas partes al mismo momento. Es necesario prever pasarelas entre las redes RTC/GSM y la red IMS. Estas pasarelas de media (Media Gateways) son controladas por Softswitches. IMS identifica también un “Signalling Gateway” permitiendo entregar la señalización ISUP del RTC/GSM al Softswitch sobre SIGTRAN. Control de servicios : el IMS brinda todos los elementos que permiten conocer los servicios suscritos por el usuario e invocarlos para toda sesión saliente o entrante.

53. Conceptos subyacentes en IMS Desarrollo de Servicios: el IMS brinda los APIs que permiten el desarrollo de servicios multimedia. Entre los APIs ya contemplados se encuentran la presencia, la mensajeria instantánea, el PTT, la conferencia y el chat. Independencia de acceso: Los servicios IMS puedan ser ofrecidos desde cualquier tipo de acceso conectado a una red IP (GPRS, UMTS, Wlan, xDSL, cable)

54. IMS y SIP SIP es un protocolo de señalización definido por el “Internet Engineering TaskForce” o “IETF” que permite el establecimiento, la liberación y la modificación de sesiones multimedia. SIP es usado en el IMS como protocolo de señalización para el control de sesiones y el control de servicio. El reemplaza entonces a la vez los protocolos “ISDN UserPart” o “ISUP” y “Intelligent Network ApplicationPart” o “INAP” del mundo de la telefonía aportando la capacidad multimedia

55. Entidades de una red IMS Terminal IMS.- Se trata de una aplicación sobre un equipo de usuario que emite y recibe solicitudes SIP. Se materializa por un software instalado sobre una PC, sobre un teléfono IP o sobre una estación móvilUMTS (“UserEquipment” o “UE”. Home SubscriberServer (HSS) .- Es la base principal de almacenamiento de los datos de los usuarios y de los servicios a los cuales suscribieron. Las principales informaciones almacenadas son las identidades del usuario , las informaciones de registro, los parámetros de acceso así como las informaciones que permiten la invocación de los servicios del usuario. La entidad HSS interactúa con las entidades de la red a través del protocolo ”Diameter”.

56. Entidades de una red IMS Call State Control Function (CSCF) El control de llamada iniciado por un terminal IMS tiene que ser asumido en la red nominal ( red a la cual el usuario suscribe sus servicios IMS) ya que el usuario puede suscribir a una gran cantidad de servicios y algunos de ellos pueden no ser disponibles o pueden funcionar de manera diferente en una red visitada. Eso induce la definición de tres entidades: “Proxy CSCF” o “P-CSCF”, “InterrogatingCSCF” o “ICSCF” y “Serving CSCF” o “S-CSCF”.

57. Proxy CSCFo P-CSCF Es el primer punto de contacto en el dominio IMS. Su dirección es descubierta por el terminal durante la activación de un contexto PDP para el cambio de mensajes de señalización SIP. El P-CSCF actúa como un Proxy Server SIP cuando encamina los mensajes SIP hacia el destinatario apropiado y como un UserAgent SIP cuando termina la llamada.

58. I-CSCF & S-CSCF El “Interrogating – CSCF” o “I-CSCF” es el punto de contacto dentro de una red de operador para todas las sesiones destinadas a un usuario de este operador. Pueden existir varias I-CSCF dentro de una red. El “ServingCSCF” o “S-CSCF” asume el control de la sesión. El mantiene un estado de sesión con el fin de poder invocar servicios. En una red de operadores, distintos S-CSCFpueden presentar funcionalidades distintas.

59. MGCF, IMS-MGW y T-SGW La arquitectura de interfuncionamientopresenta un plan de control (señalización) y un plan de usuario (transporte). El interfuncionamientoentre el dominio IMS y la RTCP esta entonces asegurado por tres entidades: el “IP Multimedia Subsystem Media Gateway Function” o “IMS-MGW”, el “Media Gateway Control Function” o “MGCF” y el “Trunking Signaling Gateway Function” o “T SGW”.

60. IMS-MGW Recibe trafico de voz de la RTCP y lo encamina sobre una red IP. El trafico audio es transportado sobre RTP/UDP/IP. Soporta generalmente funciones de conversión del media y de tratamiento del media (cancelación de eco, puente de conferencia). Es controlado por el MGCF por medio del protocolo MEGACO/H.248.

61. MGCF Al igual que las entidades CSCF, solo pertenece al plan de control y no al plan media. Controla el IMS-MGW para establecer, mantener y liberar conexiones en el IMS-MGW. Asegura la conversión de mensajes ISUP (señalización RTC) en mensajes SIP (Señalización IMS). Selecciona el CSCF idóneo con el fin de entregar la señalización SIP que el genera, al subsistema IMS.