Vo ip con_qos[1]

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VoIP con QoS
Voz sobre IP con Calidad de Servicio
Presentado por Kenneth Fuentes
4-762-1785

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Introducción.
 VoIP, en términos simples, corresponde al proceso de dividir
audio o video en pequeños paquetes, transmitir dichos paquetes
sobre una red IP y reensamblarlos en el extremo receptor, con el
fin de lograr una comunicación multimedial.
 Esta idea no es nueva y su popularidad se explica principalmente
por sus atractivos económicos, pues resulta muy eficiente utilizar
una sola red integrada para proveer transporte de datos y voz,
disminuyendo así los costos de mantención de varias redes.
 Además, VoIP ofrece la ventaja de la integración con la actual
red telefónica.

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Introducción.
 La diferencia con la tecnología actual de telefonía radica en la
exclusividad de uso de los recursos y en la orientación de la
conexión.
 Mientras en VoIP la red es de conmutación de paquetes, la red
telefónica se orienta a la conmutación de circuitos.
 Esto trae como ventaja que en VoIP se hace un uso más
eficiente de los recursos, liberando la conexión cuando esta está
inactiva. Sin embargo, esto puede producir degradación de la
calidad precisamente por este uso compartido de la conexión.

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Introducción.
 Además, dado que la red IP está diseñada bajo una filosofía de
mejor esfuerzo, no garantiza la llegada en orden de los paquetes, ni
de valores máximos de retardo.
 Por esto, se hace imprescindible la utilización de esquemas que
garanticen cierto nivel de QoS.
 Y para garantizar QoS en VoIP, es necesario considerar algunos
parámetros críticos.

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Parámetros de QoS en VoIP.
 Para poder otorgar QoS en VoIP existen tres
parámetros básicos a ser considerados:
1. Retardo (Delay, Latency):
 El retardo se define como el tiempo que tarda un paquete en llegar
desde la fuente a su destino.
 Debiera ser inferior a 150[ms] (según ITU-T G.114), dado que el
oído humano es capaz de detectar latencias de unos 250[ms].
 Es la característica de QoS más exigente.

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2. Jitter:
 Se define como la variación en el tiempo en la llegada de los
paquetes.
 Puede ser causada por congestión de red, pérdida de sincronización
o por las diferentes rutas seguidas por los paquetes para llegar al
destino.
 El jitter entre el punto inicial y final de la comunicación debiera ser
ser inferior a 100[ms].

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2. Jitter:
 Para compensar el jitter se utilizan jitter buffers. En ellos se
almacenan los paquetes recibidos con “adelanto”y se van sirviendo
con un pequeño retraso. Los paquetes con “retraso” se descartan.
 Si el jitter buffer es muy pequeño, se descartarán muchos paquetes; si
es muy grande, se agregará mucho retardo a la comunicación. Por
lo tanto, hay un compromiso. Usualmente el retardo está entre 30 y
50[ms].

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3. Pérdida de paquetes:
 Debido a que el protocolo UDP no es orientado a la conexión, si
existen pérdidas de paquetes, estos no se reenvían. Además se
deben considerar aquellas pérdidas producidas por descarte.
 La tasa admitida en VoIP debe ser menor al 1%. Sin embargo, este
valor es fuertemente dependiente del códec utilizado.
 Para minimizar este problema, se utiliza la técnica de supresión de
silencios.

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 Si no es posible cumplir con dichos parámetros, aún se puede
tratar de evitar estos problemas, en forma preventiva.
 Para evitar o subsanar estos problemas existen variadas
soluciones, cuyas implementaciones dependen de muchos
factores, como le red en que serán implementados. Algunos de
ellos son:
 Reserva de recursos: Con esto se busca asegurar en BW a lo largo del
canal antes de que se curse la llamada. Sólo aplicable a redes privadas, no
a Internet.
 Priorización: Se marcan los paquetes con un valor de prioridad, luego los
routers deciden si pueden cumplir con la petición.

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 Hasta el momento se han analizado los
parámetros que VoIP debe satisfacer para
cumplir con cierta QoS.
 Pero para comprender mejor la naturaleza de
esta tecnología, a continuación se presentará su
arquitectura.

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Arquitectura de VoIP.
 Una red IP que entregue un servicio de VoIP, debe poseer
algunos componentes adicionales a los comúnmente usados.
 Estos componentes son fundamentalmente tres:
 Terminales: Son los sustitutos de los teléfonos actuales. Se implementan
tanto en hardware como en software.
 Gateways: Corresponden a la interfaz entre la red IP y la red de telefonía
tradicional.
 Gatekeepers: Las nuevas centrales telefónicas (PBX). Se implementan
usualmente en software.

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 Terminal:
Existen dos tipos de terminales usadas:
 Softphones:
 Se define como el software necesario para realizar una llamada
telefónica usando un computador ordinario. Se diseña para que
funcione como un teléfono tradicional.
 Estos, a su vez, se pueden subclasificar en:
1. Libre elección del proveedor: Se pueden configurar los
servidores SIP proxy o gatekeepers y elegir el proveedor de
VoIP que más nos interese.

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 Terminal:
 Softphones:
2. Clientes preconfigurados: Son los programas que
permiten hablar con otros usuarios que tengan el mismo
programa.

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 Terminal:
 Softphones:
3. Programas tipo messenger con Voz: Los programas de
chat de toda la vida pero en los que actualmente puedes
hablar también.

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 Terminal:
 Hardphones:
 Se define como el equipo físico usado para hacer llamadas en
redes VoIP.
 No necesitan un software o una conexión a un computador,
sino que se enchufan directamente al router y cursan las
llamadas como en una línea telefónica tradicional.

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 Gateway:
 Dispositivo que convierte llamadas de voz, en tiempo real,
entre la telefonía pública conmutada (PSTN) y redes IP. Las
funciones de una gateway IP incluyen
compresión/descompresión de voz, paquetización, ruteado
de llamadas y señalización de control. Puede, además, incluir
funciones de interfaz con controladores externos, como
Gatekeepers o Proxy, sistemas de facturación y sistemas de
control de red.

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 Gatekeeper:
 Entidad de control central que ejecuta las funciones de
gestión en una red VoIP o en aplicaciones multimedia como
conferencias de video. Los Gatekeepers proveen inteligencia
de red, incluyendo resolución de direcciones, autorización,
servicios de autenticación, gestión de CDRs (Call Detail
Record) y comunicación con la red. Los Gatekeepers controlan
el ancho de banda, proveen compatibilidad entre sistemas y
monitorizan la red para servicios de ingeniería, control en
tiempo real y balanceo de carga.

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 En la figura se observan los
dispositivos antes mencionados.
 Nótese la interacción entre la red
de telefonía tradicional y la de
VoIP.
 La interfaz entre ambas la
componen los Gateways.
 Los Gatekeepers se encargan de la
administración de las llamadas.

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 Se ha visto la arquitectura que compone una red para
ofrecer VoIP. Además, se han señalado sus principales
componentes, y el rol que desempeñan dentro de dicha
arquitectura.
 Sin embargo, aun no se ha visto cómo se cursa una
llamada VoIP sobre la red.
 A continuación se describe el proceso completo de
establecimiento de una llamada tipo.

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Establecimiento de una llamada.
1. Un usuario disca un número de acceso a un servicio de telefonía sobre IP.
2. La llamada es ruteada a un conmutador de telefonía IP.
3. El gateway solicita al usuario que indique el número al que llamará. Este número es enviado al
gatekeeper.
4. El gatekeeper determina la dirección IP del destino, basado en el número de teléfono del
destino. Un paquete IP requiriendo información de status (disponibilidad) del gateway de
destino es enviado al gatekeeper del destino.
5. El gatekeeper de destino responde la solicitud, dando información de disponibilidad y la
dirección IP del gateway de destino. El gatekeeper de origen transfiere esta información al
gateway de origen.

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6. El gateway de origen establece un canal de comunicación con el gateway de destino. Este canal
es identificado por una variable de referencia de llamada (CRV), que será utilizada durante toda
la llamada para identificar los paquetes IP que corresponden a dicha llamada.
7. El gateway de destino elige un troncal de salida para la PSTN y envía una señalización a la red
pública para que inicie una llamada con el número solicitado.
8. Si la llamada puede ser completada con éxito, un mensaje de señalización IP es enviado por el
gateway de destino al gatekeeper de destino y por éste al gatekeeper de origen. Éste último
señaliza al gateway de origen y a su vez, el gateway de origen encamina hacia la PSTN de origen
que el destino está siendo llamado (tono de llamada). Luego la conversación es sostenida
mediante los gateway’s.

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 Como se ha visto, los pasos para lograr una
comunicación exitosa requieren de la
intervención de varios dispositivos (gateways,
gatekeepers, terminales, etc.).
 Pero para que dichos dispositivos puedan
establecer y mantener una llamada, se requieren
los protocolos.

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Protocolos en VoIP.
 El objetivo principal de VoIP, es la comunicación mutimedial (audio o video) entre dos terminales
(PC’s, teléfonos, etc.).
 Pero para ello, además del hardware descrito en la sección precedente, se hace necesario, a nivel
de software, el uso de protocolos de comunicación.
 Muchos protocolos intervienen en la generación, establecimiento y mantención de una llamada,
pero existen dos clases de ellos que son primordiales:
 Protocolo de transmisión de audio y video: El protocolo más ampliamente utilizado actualmente en redes
TCP/IP es el RTP (Real-time Transport Protocol).
 Protocolo para encontrar y negociar parámetros con otro dispositivo remoto: También llamados
protocolos de señalización de llamada. Los dos más utilizados en transmisiones VoIP en redes IP son:
H.323 y SIP (Session Initiation Protocol).
 En términos simples, H.323/SIP es el encargado de ubicar al dispositivo remoto llamado y
establecer la comunicación, mientras que RTP debe ocuparse del mantenimiento de dicha
comunicación.

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Protocolos en VoIP.
 RTP
 Protocolo de capa de aplicación.
 Definido en la RFC 3550.
 Especifica:
 Formato de la carga (payload) para los Codecs.
 Orden de los paquetes.
 Mecanismos de ayuda para solucionar delay y jitter.
 Si se desea agregar seguridad a la transmisión, se puede utilizar Secure RTP, que
provee encriptación, autenticación e integridad en cada paquete.
 A continuación se muestra un paquete tipo usado por RTP, con sus respectivos
campos.

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Protocolos en VoIP.
 RTP
 RTP numero de versión (V - version
number): 2 bits. La versión definida
por la especificación actual es 2.
 Relleno (P - Padding): 1 bit. Si el bit del
relleno está colocado, hay uno o más
bytes al final del paquete que no es
parte de la carga útil. El byte más
último en el paquete indica el número
de bytes de relleno. El relleno es usado
por algunos algoritmos de encriptación.
 La extensión (X - Extension): 1 bit. Si
el bit de extensión está colocado,
entonces el encabezado fijo es seguido
por una extensión del encabezado. Este
mecanismo de la extensión posibilita
implementaciones para añadir
información al encabezado RTP.

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Protocolos en VoIP.
 RTP
 Conteo CSRC (CC): 4 bits. El número
de identificadores CSRC que sigue el
encabezado fijo. Si la cuenta CSRC es
cero, entonces la fuente de
sincronización es la fuente de la carga
útil.
 El marcador (M - Marker): 1 bit. Un bit
de marcador definido por el perfil
particular de media.
 La carga útil Type (PT): 7 bits. Un
índice en una tabla del perfiles de
media que describe el formato de carga
útil. Los mapeos de carga útil para
audio y video están especificados en el
RFC 1890

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Protocolos en VoIP.
 RTP
 El numero Telefónico: 16 bits. Un
único número de paquete que identifica
la posición de este en la secuencia de
paquetes. El número del paquete es
incrementado en uno para cada
paquete enviado.
 Timestamp: 32 bits. Refleja el instante
de muestreo del primer byte en la carga
útil. Varios paquetes consecutivos
pueden tener el mismo timestamp si
son lógicamente generados en el
mismo tiempo - por ejemplo, si son
todo parte del mismo frame de video.

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Protocolos en VoIP.
 RTP
 SSRC: 32 bits. Identifica la fuente de
sincronización. Si la cuenta CSRC es
cero, entonces la fuente de carga útil es
la fuente de sincronización. Si la cuenta
CSRC es distinta a cero, entonces el
SSRC identifica el mixer(mezclador).
 CSRC: 32 bits cada uno. Identifica las
fuentes contribuyentes para la carga
útil. El número de fuentes
contribuyentes está indicado por el
campo de la cuenta CSRC; Allí puede
haber más de 16 fuentes
contribuyentes. Si hay fuentes
contribuyentes múltiples, entonces la
carga útil son los datos mezclados de
esas fuentes.

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Protocolos en VoIP.
 H.323
 Está compuesto de una familia de protocolos usados para realizar el
control de la llamada. Los más importantes son H.225 y H.245, que
configuran, administran y terminan la llamada.
 Básicamente, funciona así:
 Inicia la llamada hacia un punto terminal con H.225 a través de un puerto
TCP, con señalización Q.931.
 Una vez establecida la llamada, se inicia la administración, por parte del
H.245, por un canal diferente al usado por H.225, asignado dinámicamente en
los puertos TCP durante la fase H.225.
 Los canales para transporte de audio y video se designan también
dinámicamente, con un procedimiento H.245 llamado OpenLogicalChannel.
 Los mensajes más comunes de Q.931/Q.932 usados como mensajes de
señalización H.323 son:

30
Protocolos en VoIP.
 H.323
 Está compuesto de una familia de protocolos usados para realizar el
control de la llamada. Los más importantes son H.225 y H.245, que
configuran, administran y terminan la llamada.
 Básicamente, funciona así:
 Setup. Es enviado para iniciar una llamada H.323 para establecer una conexión
con una entidad H.323. Entre la información que contiene el mensaje se
encuentra la dirección IP, puerto y alias del llamante o la dirección IP y puerto del
llamado.
 - Call Proceeding. Enviado por el Gatekeeper a un terminal advirtiendo del
intento de establecer una llamada una vez analizado el número llamado.
 - Alerting. Indica el inicio de la fase de generación de tono.
 - Connect. Indica el comienzo de la conexión.
 - Release Complete. Enviado por el terminal para iniciar la desconexión.
 - Facility. Es un mensaje de la norma Q.932 usado como petición o
reconocimiento de un servicio suplementario.

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Protocolos en VoIP.
 SIP
 SIP es un protocolo de señalización a nivel de aplicación para
establecimiento y gestión de sesiones con múltiples participantes. Se basa
en mensajes de petición y respuesta y reutiliza muchos conceptos de
estándares anteriores como HTTP y SMTP. Trabaja sobre TCP/UDP.
 Funciona en la parte de señalización y control de la comunicación,
transportando al SDP (Session Descripton Protocol) que describe el
contenido multimedial de la sesión (puertos IP usados, Codecs, etc.).
 Envía invitaciones para crear sesiones, las que contienen información
sobre los parámetros multimediales a usar. Con esto, los posibles
participantes pueden o no aceptar dicha invitación.
 Utiliza servidores proxy para rutear los requerimientos hacia el usuario,
autentificar y autorizar servicios para los usuarios e implementar políticas
de ruteo de llamadas.

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Protocolos en VoIP.
 SIP
 Para implementar estas funcionalidades, existen varios componentes. Los
dos principales son los agentes de usuario (UA) y los servidores, que
pueden ser de tres tipos: Proxy, Register y Redirect.
 Agentes de Usuario:
 Consisten en dos partes distintas, el User Agent Client (UAC) y el User Agent
Server (UAS).
 UAC es una entidad lógica que genera peticiones SIP y recibe respuestas a esas
peticiones.
 UAS es una entidad lógica que genera respuestas a las peticiones SIP.
 Ambos se encuentran en todos los agentes de usuario, así permiten la
comunicación entre diferentes agentes de usuario mediante comunicaciones de
tipo cliente-servidor.

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Protocolos en VoIP.
 SIP
 Servidores - Proxy Server:
 Retransmiten solicitudes y deciden a qué otro servidor deben remitir, alterando los
campos de la solicitud en caso necesario.
 Es una entidad intermedia que actúa como cliente y servidor con el propósito de
establecer llamadas entre los usuarios.
 Este servidor tienen una funcionalidad semejante a la de un Proxy HTTP que
tiene una tarea de encaminar las peticiones que recibe de otras entidades más
próximas al destinatario.

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Protocolos en VoIP.
 SIP
 Servidores - Register Server:
 Es un servidor que acepta peticiones de registro de los usuarios y guarda la
información de estas peticiones para suministrar un servicio de localización y
traducción de direcciones en el dominio que controla.
.

35
Protocolos en VoIP.
 SIP
 Servidores - Redirect Server:
 Es un servidor que genera respuestas de redirección a las peticiones que recibe.
 Este servidor reencamina las peticiones hacia el próximo servidor.
.

36
Protocolos en VoIP.
 SIP
 Finalmente, dado que SIP es un protocolo basado en mensajes tipo
solicitud/respuesta, se mostrarán los mensajes más usuales en una
llamada:
 Solicitud: Existen seis métodos básicos SIP (definidos en RFC 254) que
describen las peticiones de los clientes:
 INVITE: Permite invitar un usuario o servicio para participar en una sesión o
para modificar parámetros en una sesión ya existente.
 ACK: Confirma el establecimiento de una sesión.
 OPTION: Solicita información sobre las capacidades de un servidor.
 BYE: Indica la terminación de una sesión.
 CANCEL: Cancela una petición pendiente.
 REGISTER: Registrar al User Agent.

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Protocolos en VoIP.
 SIP
 Finalmente, dado que SIP es un protocolo basado en mensajes tipo
solicitud/respuesta, se mostrarán los mensajes más usuales en una
llamada:
 Respuesta: El código de la respuesta está compuesto por tres dígitos que
permiten clasificar los diferentes tipos existentes. El primer dígito define la
clase de la respuesta.
 1xx - Mensajes provisionales.
 2xx - Respuestas de éxito.
 3xx - Respuestas de redirección.
 4xx - Respuestas de falla de método.
 5xx - Respuestas de fallas de servidor.
 6xx - Respuestas de fallas globales.

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Conclusiones.
 Como se ha visto, la tecnología de VoIP es mucho más que simplemente
cursar llamadas a través de un teléfono.
 Actualmente, se utilizan algunas aplicaciones basadas en VoIP a través de
Internet (como SkyPe, Gizmo, etc), pero su uso es aun limitado y no se ha
extendido lo suficiente.
 Sin embargo, todo indica que el futuro de la telefonía tradicional se encuentra
fuertemente amenazado por esta tecnología que cada día gana más adeptos.
 Muchas empresas han comenzado la migración de sus antiguas centrales a las
nuevas redes de VoIP, lo que es un indicador inequívoco, de que el futuro de
la telefonía, es sobre IP .

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