8. Telefonia IP

A rede de telefonia fixa constitui um sistema de telecomunicações que interliga vários usuários a uma central telefônica e várias centrais telefônicas entre si, permitindo a comunicação direta entre cada um dos assinantes. Inicialmente este sistema era totalmente analógico e baseado em circuitos, de maneira que seu dimensionamento era realizado de maneira probabilística levando em consideração as equações e tabelas desenvolvidas pelo pai telefonia, o matemático dinamarquês A. K. Erlang.

A partir do momento em que os recursos de comunicação começaram a se fundir com os sistemas computacionais e as redes de informação começaram a convergir, a telefonia tradicional passou por um processo de transição tecnológica, saindo da multiplexação no tempo (TDM) e das redes de par metálico para se tornar um serviço agregado as crescentes redes de dados IP, dando origem a serviços e aplicações até então impensados como a Telefonia pela Internet e as comunicações unificadas.

A partir da versão 0.98RC o Jubarte passou a incluir um módulo para dimensionamento de banda para sistemas telefônicos baseados em IP, podendo ser utilizado para o dimensionamento do tráfego interno da rede de uma empresa, para estimar o tráfego no backbone de um provedor ou mesmo dimensionar a quantidade de entroncamentos necessários para escoar o tráfego em um PABX ou Media Gateway.

8.1 Diferenças entre Voip e Toip

  • VOIP (Voice Over Internet Protocol)

    • Tecnologia de transmissão de pacotes de voz sobre redes IP.

    • O termo “Voip” geralmente é utilizado para se referir a serviços de “Voz sobre Internet” (ex: Skype).

    • Não está sujeito a metas de qualidade do STFC (Serviço Telefônico Fixo Comutado).

    • Não é regulamentado por nenhum órgão pois é visto como serviço de valor agregado a banda larga.

  • TOIP (Telephony Over Internet Protocol)

    • Termo utilizado para se referir a serviços de telefonia convencional que utilizam Voip como tecnologia de transporte.

    • Sujeito a todas as metas de qualidade do STFC.

    • No Brasil é regulamentado pela Anatel

8.2 Modelos de telefonia

8.2.1 Modelo Distribuído

Neste modelo, os endpoints ou terminais de usuário, são dotados de inteligência estando envolvidos em várias etapas de uma chamada, como :

  • Call setup

  • Call routing

  • Call Tear Down

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Figura 23 – Modelo distribuído de telefonia

Este modelo é utilizado em sistemas de Voz sobre Internet (VOIP), sendo baseado em protocolos distribuídos como o SIP e o H.323. Porém o modelo distribuído possui uma característica que o torna impraticável em redes telefônicas tradicionais, ele possui baixa escalabilidade, característica que pode ser definida como:

Em telecomunicações e na engenharia de software, escalabilidade é uma característica desejável em todo o sistema, em uma rede ou em um processo, que indica sua habilidade de manipular uma porção crescente de trabalho de forma uniforme, ou estar preparado para crescer. Por exemplo, isto pode se referir à capacidade de um sistema em suportar um aumento carga total quando os recursos (normalmente do hardware) são requeridos.”

Fonte: Wikipédia

8.2.2 Modelo Centralizados

Neste modelo, toda a inteligência e processamento das chamas está concentrada em um ponto central, chamado Call Agent (CA), de forma que os Endpoints se tornam terminais “burros” que fazem apenas digitalização e empacotamento de sinais.

O modelo centralizado possui a característica de ser altamente escalável, sendo ideal para uso em sistemas de Telefonia IP (Toip). Neste caso são utilizados protocolos centralizados como MGCP e NCS, no entanto o uso de “dispositivos especiais” como Gatekeepers e servidores Registrar, proxy e redirect podem fazer com que os protocolos distribuídos como SIP e H.323 sejam usados em ambientes centralizados.

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Figura 24 – Modelo centralizado de telefonia

8.3 Compressão de voz

Para reduzir o consumo de recursos da rede e maximizar os investimentos, são utilizadas técnicas de compressão de dados para reduzir a quantidade de informação gerada em chamadas telefônicas. Todos os padrões de compressão de voz desenvolvidos pela ITU, variam em alguns fatores:

  • Bandwidth

  • Degradação de qualidade

  • Delay introduzido

  • CPU overhead devido a complexidade do algoritmo

8.3.1 CODECs

CODEC é uma abreviação para “Codificador + Decodificador”, inúmeros codecs foram desenvolvidos utilizando diferentes tipos de algoritmos de compressão, gerando diferentes taxas de transmissão. Os principais tipos desenvolvidos pelo ITU estão resumidos na tabela abaixo.

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Fonte: CCNP Optimizing Converged Cisco Networks, Amir RanjBar

Existem várias técnicas para medir a qualidade dos CODECs, o método padrão usado pela ITU é o MOS (mean opinion score), que é um valor numérico dentro da faixa de 1 – 5, onde “1” é a pior qualidade percebida pelo usuário, e “5” é a máxima qualidade percebida. A tabela abaixo demonstra os MOS.

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Fonte: CCNP Optimizing Converged Cisco Networks, Amir RanjBar

8.4 Protocolos envolvidos no encapsulamento de voz

Os protocolos de transporte TCP e UDP não possuemas características necessárias para o transporte de voz em tempo real, a solução para este problema vem da utilização do protocolo RTP sobre o UDP nas portas 16384~32767, sendo que este por sua vez, oferece boas características para este fim.

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Figura 25 – Pacote de voz

8.5 Encapsulamentos de Layer 2 e Layer 3

Quando vamos fazer o dimensionamento de Bandwidth para links de voz, é preciso levar em consideração a tecnologia de transporte em Layer 2 assim como tunelamentos de Layer 3, pois cada uma delas irá acrescentar um novo overhead ao fluxo de pacotes, impactando diretamente na quantidade de bits a serem transmitidos. As tabelas abaixo, sumarizam estes valores:

Encapsulamento em Layer 2
Overhead
Ethernet
18 bytes
Frame-Relay
6 bytes
Multilink PPP
6 bytes
802.1Q
22 bytes

Tunelamento em Layer 3
Overhead
Ipsec Transport Mode (DES ou 3DES)
30 ~ 37 bytes
Ipsec Transport Mode (AES)
38 ~ 53 bytes
Ipsec Tunnel Mode
50 ~ 57 bytes ou 58 ~ 73 bytes
L2TP
24 bytes
GRE
24 bytes
MPLS
4 bytes
PPPoE
8 bytes

De posse de todos estes valores é possível calcular o tamanho do pacote de voz, de forma que conhecendo o número de pacotes por segundo é possível se calcular a Bandwidth necessária para se transmitir determinada chamada telefônica.

8.6 Engenharia de Tráfego

Técnicas de engenharia de tráfego são utilizadas para se realizar o correto dimensionamento de troncos, ou canais, para um sistema de telefonia de modo a se manter o congestionamento abaixo de um valor estabelecido. A partir desta informação é possível se estimar o número de chamadas simultâneas na rede e com isso estimar a bandwidth necessária para escoar todo o tráfego.

Em homenagem ao matemático dinamarquês foi criado o Erlang que é a principal unidade de tráfego utilizada e indica o número médio de circuitos, órgãos, troncos ou equipamentos ocupados simultaneamente , durante um intervalo de tempo, (geralmente de 60 minutos). Erlang é uma unidade de medida de intensidade de tráfego em redes comutadas a circuitos para um intervalo de uma hora. Por exemplo, um tronco continuamente ocupado, durante todo um dado período de observação corresponde a um tráfego de 1 Erlang.

Os sistemas telefônicos são planejados para que as chamadas realizadas pelos assinantes tenham alta probabilidade de sucesso, mesmo nos períodos de tráfego telefônico mais intenso – chamadas horas de maior movimento (HMM). A quantidade de troncos e equipamentos de comutação, necessários para o fluxo do tráfego telefônico, é dimensionada de tal modo que durante as horas de maior movimento somente uma porcentagem muito pequena de ligações solicitadas não seja estabelecida imediatamente.

Existem vários modelos matemáticos para solução deste problema, a mais comum delas é conhecida como fórmula de Erlang-B e está demonstrada na figura 24.

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Figura 26 – Fórmula de Erlang-B

Fonte: teleco.com.br Tráfego telefônico (Erlang)

A probabilidade de bloqueio (Pb) representa a probabilidade que uma chamada executada na rede possui de ser rejeitada devido a falta de recursos disponíveis no sistema, logo, quanto menor for a probabilidade de bloqueio uma maior a quantidade de chamadas será completada.

O Jubarte é dotado de 2 métodos para o dimensionamento de sistemas de voz, o método “simples” no qual o usuário deve indicar manualmente a quantidade de chamadas simultâneas na rede, e o método de erlang-B, em que é preciso inserir o tráfego total esperado e a probabilidade de bloqueio desejada de forma que o programa possa estimar o número de chamadas simultâneas na rede e fazer o correto dimensionamento. O algoritmo de erlang-B foi programado de maneira a calcular o número de canais por método de tentativa e erro, isto associado a limitação no tamanho das variáveis “extended” da linguagem Object-Pascal faz com que o valor máximo de tráfego que pode ser processado no Jubarte é o de 1520 erlangs,sendo que o consumo de CPU do computador será relativamente grande para altos valores de tráfego.

O módulo de telefonia IP do Jubarte possui um campo para benchmark de CPU, com ele é possível se fazer uma estimativa da quantidade de chamadas simultâneas que uma determinada CPU de mercado é capaz de processar utilizando um determinado CODEC, este recurso pode ser particularmente útil quando for dimensionar um servidor Asterisk por exemplo. É importante ressaltar que o software não leva em consideração a carga do sistema operacional e de outros aplicativos em background, logo o valor real deve ser inferior ao valor estimado.

8.7 Exemplo de dimensionamento de um sistema de Telefonia IP

Condições de simulação:

  • Codecs de Sinalização e Áudio

    • SIP

    • G.729A

  • WAN

    • Link PPP

    • Sem uso de tunelamento em Layer 3

  • Engenharia de Tráfego

    • Tráfego total de 25 erlangs

    • Probabilidade bloqueio de 2%

  • CPU de Benchmark

    • AMD Athlon 64 3800+ X2 – 2GHz

A partir destas informações, vamos utilizar o módulo de Telefonia IP do Jubarte para dimensionar a quantidade de chamadas simultâneas na rede, calcular a bandwidth necessária para transportar todo o tráfego de voz e sinalização e também estimar a quantidade de chamadas simultâneas que a CPU escolhida pode processar.

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Figura 27 – Dimensionamento de banda em Telefonia IP

8.7.1 Gerador de políticas de QoS

Apartir da versão 1.0 o jubarte passou a incluir um novo submódulo para o sistema de telefonia IP que possui a função de para gerar de políticas de QoS para redes NGN apartir da engenharia de tráfego telefônico realizada previmente pelo método de erlang-B.

O gerador de políticas de QoS crias configurações genéricas para implementação de qualidade de serviço através do método DIFFSERV para equipamentos das camada de Acesso e CORE da rede de dados. Até o momento são suportados equipamentos dos fabricantes Cisco e Enterasys, sendo que as configurações Enterasys ainda estão em estágio alpha de desenvolvimento, portanto use com cautela.

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Figura 28 – Geração de políticas de QoS

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