VoIP – Tutorial sobre os conceitos básicos da Telefonia IP, suas características e aplicações em empresas.
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Este tutorial fornece uma visão técnica sobre Telefonia IP ou VoIP, Arquitetura, Protocolos, Aplicações no Ambiente Corporativo, Pre requisitos para a qualidade do serviço (QoS) e sobre a evolução desta tecnologia que tende a substituir os sistemas e aplicações baseadas em telefonia fixa. |
Conceito A Comunicação de Voz em Redes IP, chamada de VoIP, consiste no uso das redes de dados que utilizam o conjunto de protocolos das redes IP (TCP/UDP/IP) para a transmissão de sinais de Voz em tempo real na forma de pacotes de dados. A sua evolução natural levou ao aparecimento da Telefonia IP, que consiste no fornecimento de serviços de telefonia utilizando a rede IP para o estabelecimento de chamadas e comunicação de Voz. Nessas redes são implementados protocolos adicionais de sinalização de chamadas e transporte de Voz que permitem a comunicação com qualidade próxima àquela fornecida pelas redes convencionais dos sistemas públicos de telefonia comutada ou de telefonia móvel. Digitalização de Sinais de Voz Nos sistemas tradicionais o sinal de Voz utiliza uma banda de 4 kHz, e é digitalizado com uma taxa de amostragem de 8 kHz para ser recuperado adequadamente (Princípio de Nyquist). Como cada amostra é representada por um byte (8 bits, com até 256 valores distintos), cada canal de Voz necessita de uma banda de 64 kbit/s (8.000 amostras x 8 bits). Esta forma de digitalização do sinal de Voz atende a recomendação ITU-T G.711 - Pulse code modulation (PCM) of voice frequencies. Nos sistema de transmissão de Voz sobre IP, onde a demanda por banda é crítica, torna-se necessário utilizar também algoritmos de compressão do sinal de Voz. Esses algoritmos têm papel relevante pela economia de banda que proporcionam. O seu uso tem sido possível graças ao desenvolvimento dos processadores de sinais digitais (DSP’s), cuja capacidade de processamento tem crescido vertiginosamente. Estas necessidades incentivaram o desenvolvimento de tecnologias mais complexas para a digitalização e compressão de Voz, e que foram registradas através de recomendações do ITU-T. Estas recomendações são apresentadas na tabela abaixo, com algumas características relevantes.
Requisitos para a Telefonia IP O objetivo da telefonia em redes IP é prover uma forma alternativa aos sistemas tradicionais, mantendo, no mínimo, as mesmas funcionalidades e qualidade similar, e aproveitando a sinergia da rede para o transporte de Voz e dados. Os principais requisitos para a Telefonia sobre redes IP de modo a permitir uma comunicação inteligível, interativa e sem falhas são:
Telefonia sobre o Protocolo IP O transporte de Voz sobre o protocolo IP levou ao desenvolvimento de um conjunto de novos protocolos para viabilizar a comunicação com as mesmas características das redes tradicionais. Nas redes IP os pacotes de dados com informação de Voz são enviados de forma independente, procurando o melhor caminho para chegar ao seu destino, de forma a usar com maior eficiência os recursos da rede. Os pacotes de dados associados a uma única origem de comunicação de Voz podem, portanto, seguir caminhos diferentes até o seu destino, ocasionando atrasos, alteração de seqüência e mesmo perda desses pacotes. A tecnologia desenvolvida para a comunicação VoIP, implementada através dos novos protocolos, assegura a reordenação dos pacotes de dados e a reconstituição do sinal original, compensando o eco decorrente do atraso fim-a-fim dos pacotes de dados, o jitter e a perda de pacotes. Estes novos protocolos funcionam como aplicações específicas sobre o protocolo IP para prover comunicação em tempo real e sinalização de chamadas para as aplicações de Voz. Esses protocolos são executados por máquinas existentes nas redes IP (roteadores, switches) e por novos elementos funcionais que complementam a arquitetura dos sistemas de Telefonia IP.
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Na telefonia tradicional, a rede é hierárquica, ou seja, é baseada em grandes centrais telefônicas interligadas de forma hierárquica e que detém a inteligência da rede. Além disso, os terminais são desprovidos de inteligência e o seu endereçamento depende da geografia da área de abrangência da rede (ver tutorial do Teleco “Telefonia Fixa no Brasil”). Na telefonia IP, a rede é plana, não hierárquica, especializada no roteamento e transporte de pacotes de dados, e pode oferecer vários tipos de serviços. Os terminais são inteligentes, seu endereçamento independe de sua localização geográfica, e o processamento e a realização das chamadas ocorrem em vários equipamentos que podem estar localizados em qualquer parte da rede. A figura a seguir apresenta a arquitetura típica de rede para a telefonia IP.  Apresenta-se a seguir cada um dos elementos desta arquitetura. Rede IP É a rede de dados que utiliza os protocolos TCP/IP. Sua função básica é transportar e rotear os pacotes de dados entre os diversos elementos conectados a rede. Conforme o seu porte, pode ter um ou mais segmentos de rede. Sistema de Telefonia Fixa Comutada (STFC) É o sistema público convencional de comunicação de Voz, que interliga empresas e residências em âmbito nacional e internacional. O sistema de telefonia móvel atual também pode ser considerado convencional, para os serviços de comunicação de Voz. PABX É o equipamento de uso corporativo empregado para executar os serviços privados de Voz nas empresas. Geralmente são sistemas digitais, e se interligam ao STFC (ou aos sistemas de telefonia móvel) para realizar as comunicações externas. Terminal Telefônico Convencional (Tel) É o telefone convencional usado em residências e empresas. Em alguns sistemas digitais mais modernos (públicos ou privados), os telefones também são digitais, para permitir um maior número de funcionalidades adicionais à comunicação de Voz convencional. Terminal Telefônico IP (Tel IP) É o telefone preparado para a comunicação de Voz em redes IP. Tem todas as funcionalidades e protocolos necessários instalados para suportar comunicação bidirecional de Voz em tempo real e a sinalização de chamadas. As funcionalidades adicionais integradas dependem da finalidade e do custo do terminal. Terminal Multimídia (TM) São computadores preparados para a comunicação de Voz em redes IP. Assim como o Tel IP, eles têm todas as funcionalidades e protocolos necessários instalados para suportar comunicação bidirecional de Voz em tempo real e a sinalização de chamadas. Esses terminais podem ser utilizados para aplicações mais complexas, tais como Postos de Atendimento de Call Centers e estações para conferência multimídia, entre outras. Gateway (GW) É o equipamento responsável pela interoperabilidade entre a rede IP e o STFC (e/ou sistemas de telefonia móvel). Ele executa a conversão de mídia em tempo real (Voz analógica x Voz digital comprimida) e a conversão de sinalização para as chamadas telefônicas. Para simplificar o GW, o controle efetivo das chamadas em andamento é executado pelo Gateway Controller. Em sistemas de maior porte as funcionalidades de mídia e sinalização podem ser separadas em equipamentos distintos, chamados de Media Gateway (MGW) e Signalling Gateway (SGW). Gateway Controller (GC) É o equipamento responsável pelo controle das chamadas em andamento realizadas pelos GW. Também chamado de Call Agent, o GC utiliza e gera as informações de sinalização e comanda os GW para iniciar, acompanhar e terminar uma chamada entre 2 terminais distintos. Em sistemas de maior porte as funcionalidades de controle de mídia e sinalização podem ser separadas em equipamentos distintos, chamados de Media Gateway Controller (MGC) e Signalling Gateway Controller (SGC). Multipoint Control Unit (MCU) É o equipamento responsável pelos serviços de conferência entre 3 ou mais terminais. É composto por um Controlador Multiponto (MC - multipoint controller), responsável pela sinalização das chamadas, e por um Processador Multiponto (MP - multipoint processor), responsável pelo processamento dos pacotes de dados dos sinais de Voz dos terminais envolvidos na conferência. Gatekeeper (GK) É o equipamento responsável pelo gerenciamento de um conjunto de equipamentos dedicados a telefonia IP, quais sejam: Tel IP, TM, GW, GC e MCU. Suas principais funções são: executar a tradução de endereçamento dos diversos equipamentos, controlar o acesso dos equipamentos à rede dentro de sua Zona, e controlar a banda utilizada. Outras funcionalidades opcionais podem ser adicionadas, entre elas: autorização de chamadas, localização de GW, gerenciamento de banda, serviços de agenda telefônica (lista) e serviços de gerenciamento de chamadas. Na figura acima cada GK é responsável por um conjunto de terminais. A comunicação entre 2 GK’s distintos normalmente é feita durante a realização de chamadas de longa distância, através de protocolos específicos para esse fim, onde são trocadas informações relativas aos terminais de cada área de atuação dos GK’s. Zona Zona é um conjunto de terminais, GW’s e MCU’s gerenciados por um único GK. Uma zona deve ter pelo menos 1 terminal, e pode ou não conter GW’s ou MCU’s. Entretanto, uma zona tem apenas 1 GK. Fisicamente a Zona pode ser composta por um ou mais segmentos de rede interligados através de roteadores ou outros equipamentos semelhantes. Comparada com os sistemas telefônicos convencionais, uma Zona corresponde a uma área com um determinado código de localidade, ou seja, uma cidade ou um conjunto de cidades conforme o tamanho e número de terminais.
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A comunicação entre dois terminais na telefonia IP ocorre através de 2 processos simultâneos: Sinalização e Controle de Chamadas
Processamento de Voz
Protocolos A telefonia IP utiliza os protocolos TCP/UDP/IP da rede como infra-estrutura para os seus protocolos de aplicação que participam dos processos descritos acima. A figura a seguir apresenta a estrutura em camadas dos principais protocolos.  Apresenta-se a seguir a descrição de cada um destes protocolos. H.323 Packet Based Multimedia Communications Systems O padrão H.323 é um conjunto de protocolos verticalizados para sinalização e controle da comunicação entre terminais que suportam aplicações de áudio (Voz), vídeo ou comunicação de dados multimídia. É uma recomendação guarda-chuva do ITU-T que define padrões para comunicação multimídia através de redes que não oferecem Qualidade de Serviço (QoS) garantida, como é o caso das redes do tipo LAN, IP e Internet. Os padrões utilizados do conjunto H.323 e suas aplicações para os sistemas de Telefonia IP são descritos a seguir. H.255.0 Call Signalling Protocols and Media Stream Packetization for Packet-based Multimedia Communication Systems Esta recomendação estabelece padrões para sinalização e empacotamento de mídia (Voz) para chamadas em sistemas baseados em redes de pacotes. Suas principais aplicações são:
H.245 Control Protocol for Multimedia Communication Esta recomendação estabelece padrões para a comunicação entre terminais, para o processo de controle do transporte de Voz (transport control). Estas mensagens usam como suporte os pacotes TCP da rede IP, e são trocadas entre os terminais, GW e MCU’s envolvidos em chamadas do tipo ponto-a-ponto e ponto-multiponto. H.235 Security and Encryption for H-Series (H.323 and other H.245-based) Multimedia Terminals Esta recomendação estabelece padrões adicionais de Autenticação e Segurança (Criptografia) para terminais que usam o protocolo H.245 para comunicação ponto-a-ponto e multiponto. H.450.X Generic Functional Protocol for the Support of Supplementary Services Conjunto de recomendações que estabelece padrões de Sinalização para serviços adicionais para terminais, tais como transferência e redirecionamento de chamadas, atendimento simultâneo, chamada em espera, identificação de chamadas, entre outros. Estas mensagens usam como suporte os pacotes TCP da rede IP, e são trocadas entre os terminais, GW e MCU’s envolvidos em chamadas do tipo ponto-a-ponto e ponto-multiponto que possuam as funcionalidade dos serviços adicionais. Session Initiation Protocol (SIP) O protocolo SIP, definido através da recomendação RFC 2543 do IETF, estabelece o padrão de sinalização e controle para chamadas entre terminais que não utilizam o padrão H.323, e possui os seus próprios mecanismos de segurança e confiabilidade. Estabelece recomendações para serviços adicionais tais como transferência e redirecionamento de chamadas, identificação de chamadas (chamado e chamador), autenticação de chamadas (chamado e chamador), conferência, entre outros. Sua utilização é similar ao conjunto H.323 descrito, embora utilize como suporte para as suas mensagens os pacotes UDP da rede IP. Media Gateway Control Protocol (MGCP) O protocolo MGCP, definido através de recomendação RFC 2705 do IETF, é usado para controlar as conexões (chamadas) nos GW’s presentes nos sistemas VoIP. O MGCP implementa uma interface de controle usando um conjunto de transações do tipo comando – resposta que criam, controlam e auditam as conexões (chamadas) nos GW’s. Estas mensagens usam como suporte os pacotes UDP da rede IP, e são trocadas entre os GC’s e GW’s para o estabelecimento, acompanhamento e finalização de chamadas. Media Gateway Control Protocol (MEGACO) O protocolo Megaco é resultado de um esforço conjunto do IETF e do ITU-T (Grupo de Estudo 16). O texto da definição do protocolo e o mesmo para o Draft IETF e a recomendação H.248, e representa uma alternativa ao MGCP e outros protocolos similares. Este protocolo foi concebido para ser utilizado para controlar GW’s monolíticos (1 único equipamento) ou distribuídos (vários equipamentos). Sua plataforma aplica-se a gateway (GW), controlador multiponto (MCU) e unidade interativa de resposta audível (IVR). Possui também interface de sinalização para diversos sistemas de telefonia, tanto fixa como móvel. Real-Time Transport Protocol (RTP) O protocolo RTP, definido através da recomendação RFC 1889 do IETF, é o principal protocolo utilizado pelos terminais, em conjunto com o RTCP, para o transporte fim-a-fim em tempo real de pacotes de mídia (Voz) através de redes de pacotes. Pode fornecer serviços multicast (transmissão um para muitos) ou unicast (transmissão um para um). O RTP não reserva recursos de rede e nem garante qualidade de serviço para tempo real. O transporte dos dados é incrementado através do RTCP (protocolo de controle) que monitora a entrega dos dados e provê funções mínimas de controle e identificação. No caso das redes IP este protocolo faz uso dos pacotes UDP, que estabelecem comunicações sem conexão. Real-Time Transport Control Protocol (RTCP) O protocolo RTCP, definido também através da recomendação RFC 1889 do IETF, é baseado no envio periódico de pacotes de controle a todos os participantes da conexão (chamada), usando o mesmo mecanismo de distribuição dos pacotes de mídia (Voz). Desta forma, com um controle mínimo é feita a transmissão de dados em tempo real usando o suporte dos pacotes UDP (para Voz e controle) da rede IP.
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Com o crescimento das redes LAN (intra-office) e com a adoção crescente do conceito WAN (inter-offices) fazendo uso de facilidades do tipo VPN fornecidas pelas operadoras de serviços de dados, a telefonia IP tem encontrado um grande espaço para a sua implantação no ambiente corporativo, substituindo os PABX’s tradicionais pela solução PABX-IP. Suas principais vantagens são:
A figura a seguir mostra uma arquitetura típica para uma corporação com mais de um escritório.  Apresenta-se a seguir cada um dos elementos desta arquitetura. Rede Local (LAN) Em cada escritório (matriz e as várias filiais) existe uma rede local, constituída pelo cabeamento de dados, pelos servidores de aplicações de dados e de telefonia IP, e pelos diversos terminais que podem ou não possuir as funcionalidades de VoIP. Terminais Em cada escritório existem terminais de dados (PC), terminais multimídia (TM) e terminais de telefonia IP (Tel IP), todos conectados a uma infra-estrutura comuns de rede de dados. O deslocamento de pessoal é facilitado pois os terminais podem ser conectados em qualquer escritório sem alteração de infra-estrutura e sistemas, e todas as facilidades configuradas para o perfil do usuário podem ser acessadas. Roteador (ROT) Equipamento responsável pela interface entre a rede local e o provedor de rede IP. Participa da funcionalidade de VPN, e pode ter adicionalmente as funções de Firewall e, em redes de menor porte, de gateway para interface com o STFC. Gateway (GW) É o equipamento responsável pela interoperabilidade entre a rede local e o STFC (e/ou sistemas de telefonia móvel). Ele executa a conversão de mídia em tempo real (Voz analógica x Voz digital comprimida) e a conversão de sinalização para as chamadas telefônicas. Call Manager (CM) É o equipamento responsável pelo gerenciamento de chamadas. O call manager implementa as funções de gatekeeper (GK), gerenciando os elementos que fazem parte do sistema VoIP, e gerencia as chamadas, fornecendo serviços de tradução de endereçamento IP, controle do GW, entre outros. Pode ser implementado através de equipamentos redundantes e backups em locais distintos. Normalmente existe um equipamento principal no escritório matriz (redundante e com backup em outro escritório), que mantém a configuração de toda a rede, e equipamentos secundários nos outros escritórios, que conhecem apenas suas redes internas. As chamadas que envolvam escritórios distintos necessariamente envolvem o equipamento principal localizado na matriz. Application Server (AS) É o equipamento que fornece serviços adicionais ao sistema VoIP. Dentre esses serviços pode ser destacados: caixa postal de Voz (voice mail), unidade interativa de resposta audível (IVR) e serviços de agenda telefônica. |
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Os sistemas de telefonia IP tornam-se viáveis na medida em que alguma garantia de qualidade de serviço (QoS) possa ser obtida da rede IP onde eles são implementados. Quando essa rede é usada exclusivamente pelo provedor para fornecimento de serviços de dados e/ou VoIP, com gerenciamento e engenharia de rede adequados, o QoS pode ser ajustado para atender aos requisitos de todos os serviços ofertados, inclusive VoIP com qualidade. Há, entretanto, entre os provedores de serviços, e mesmo no mercado corporativo, a busca por soluções de menor custo para dados e Voz. E nessa busca a Internet, com as suas características de custo baixo e infra-estrutura “pública”, surge como alternativa a ser considerada. A questão principal que se coloca é o QoS da Internet. A arquitetura da Internet é composta por um número muito grande de redes de diversos provedores e outras entidades comerciais ou não, sem um responsável efetivo pelo controle da banda fornecida ou utilizada e sua conseqüente qualidade de serviço. Para aplicações de tempo real com mídias do tipo áudio (Voz) ou vídeo, não se pode garantir disponibilidade de banda e mesmo a disponibilidade da rede. Apresenta-se a seguir algumas soluções para Telefonia IP usando a Internet, e os impactos futuros para esta aplicação. Provedores de Serviços de Telefonia IP Alguns provedores de serviços de Telefonia IP ( operadoras VoIP ) têm conseguido oferecer qualidade de serviço utilizando a Internet, especialmente para chamadas de longa distância. Sua estratégia é voltada para o gerenciamento da qualidade de serviço utilizando vários rotas no backbone da Internet. Esses provedores utilizam equipamentos dedicados com aplicações sofisticadas que verificam em tempo real a qualidade de serviço de cada rota e direcionam o tráfego de Voz para a rota que fornece o melhor QoS a cada instante. Esta solução oferece também ao sistema uma característica de disponibilidade de serviço bastante interessante. Além do fator qualidade e disponibilidade de serviço, o custo de expansão de rede torna-se interessante neste tipo de aplicação. Na Internet o custo de expansão das redes é de responsabilidade dos proprietários de cada rede, não sendo repassado aos usuários. Desta forma, os provedores de telefonia IP podem prescindir desse custo e oferecer o serviço de forma mais vantajosa para seus Clientes. Mercado corporativo No mercado corporativo o uso da Internet como meio de transporte para a telefonia IP apresenta algumas ressalvas:
Desta forma, esta opção pode ser considerada como alternativa para comunicações de Voz cuja finalidade possa prescindir da qualidade e disponibilidade de serviço oferecida pelos sistemas de telefonia convencional ou mesmos pelos sistemas de telefonia IP que utilizam redes IP privadas. Conclusão O uso da Internet como meio de transporte de Voz tem alguns casos de sucesso, principalmente nas chamadas de longa distância. Hoje o usuário que está fazendo uma chamada desse tipo não consegue identificar o tipo de tecnologia que está sendo usada, e mesmo qual o caminho que a sua conversa está seguindo. Entretanto, nem todas as aplicações têm o mesmo resultado. O mercado corporativo e mesmo residencial ainda tem dificuldades para usar de forma generalizada esse tipo de tecnologia. A medida em que o mercado for demandando novos serviços através da Internet, a estrutura de precificação desses serviços poderá ser aperfeiçoada de forma a definir o custo do acesso de acordo com o tipo de aplicação do usuário. Esse novo formato de remuneração pode permitir o aperfeiçoamento da própria arquitetura da Internet, através da implantação de protocolos mais sofisticados que permitem a definição de prioridades para o transporte dos pacotes de dados de acordo com o tipo de aplicação do usuário. Nesse novo contexto, tanto provedores como usuários terão a oportunidade de usar a Internet para as aplicações de telefonia IP (e para outras mídias) com custos um pouco superiores aos atuais, porém com a qualidade de serviço adequada.
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A telefonia IP, usando rede IP ou Internet, tem avançado a largos passos. Novos produtos vêm sendo desenvolvidos pelos fornecedores para viabilizar negócios para os Provedores de Serviços e soluções alternativas para o mercado corporativo. Os provedores de serviços vêm alterando a arquitetura das redes de telefonia convencional para aplicar soluções de telefonia IP nas ligações de longa distância, através do uso de suas redes IP e de centrais de trânsito que se comunicam através de conexões de Voz sobre IP (canais IP). Além disso, novos provedores já fornecem serviços de telefonia IP de longa distância usando a infra-estrutura da Internet. No mercado corporativo a demanda pela convergência das redes de Voz e dados e a necessidade de redução de custos de comunicação vêm pressionando os fornecedores de equipamentos e serviços a viabilizarem essas soluções com custos adequados. Todo este contexto ratifica o desenvolvimento das redes NGN (Next Generation Networks), cuja convergência Voz-dados é a mola mestra. Nestas redes o transporte dos dados é feito de forma simplificada, e a inteligência é distribuída por todos os equipamentos de aplicação e terminais. As Soft-switches, equivalentes distantes às centrais de comutação, passam a controlar as chamadas de Voz, os serviços adicionais e os pacotes de dados, de forma indistinta na rede. Há ainda que se considerar uma questão final: a da regulamentação do serviço de Voz. No Brasil a regulamentação dos serviços de Voz não especifica a tecnologia a ser usada, e sim o tipo de serviço a ser prestado pelos provedores. O serviço de Voz é regulamentado através de 2 modalidades:
Essas licenças têm públicos distintos, e não devem ser confundidas entre si. Cada tipo de licença oferece ao provedor um público específico e é dentro desse contexto que ele deve operar os seus serviços, seja usando a tecnologia da telefonia convencional, seja usando a tecnologia VoIP. Existem, entretanto, requisitos adicionais que diferenciam os serviços e que diferenciam as responsabilidades dos operadores. Para o STFC os requisitos de numeração, cobertura, interconexão, e qualidade de serviços são bastante rígidos e a obtenção da licença é mais complexa. Para o SCM os requisitos são voltados aos serviços multimídia, permitem a interconexão e o uso de numeração, e a obtenção da licença é mais simplificada. Ressalta-se apenas que a licença SCM não deve ser confundida com o STFC ou com a prestação de serviços de comunicação de massa (broadcast ou TV paga). Referências Anatel - Agência Nacional de Telecomunicações. Autor: Huber Bernal Filho - Engenheiro da Teleco (MAUÁ 79), tendo atuado nas áreas de Redes de Dados e Multisserviços, Sistemas Celulares e Sistemas de Supervisão e Controle. |
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Cortesia:
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