PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE SISTEMAS

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1 PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE SISTEMAS DISERTACIÓN PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA EN SISTEMAS Y COMPUTACIÓN ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD DEL SOFTWARE ASTERISK PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA IP PBX NOVOA ERAZO ANA LUCIA DIRECTOR: ING. JAVIER CÓNDOR QUITO, 2008

2 AGRADECIMIENTOS Agradezco a Dios y a la Virgen que con infinito amor permitieron que culmine una de las metas que me he propuesto. Gracias a ellos obtengo mi recompensa a tanto tiempo invertido y puedo decir con agrado que valió la pena. A mis padres Victor y Fanny que son mi ejemplo a seguir y a quienes entrego hoy un regalo muy valioso. A mis hermanos Luis, Santiago y Esteban a quienes espero este trabajo sirva de ejemplo de que con amor y dedicación todo se puede conseguir en esta vida y que tengan presente que no lo hubiera logrado sin su presencia. A mis profesores y amigos que fueron un gran soporte para no desmayar en los momentos difíciles de mi carrera universitaria y estuvieron siempre presentes para alentarme. Un agradecimiento especial a Iván que compartió conmigo hasta el día de hoy la alegría de haber concluido este trabajo, gracias por tu confianza y ayuda en todo momento. Ana Lucia ii

3 ÍNDICE RESUMEN... vii INTRODUCCIÓN TELEFONÍA TRADICIONAL Evolución de la Telefonía Tradicional Funcionamiento de la Telefonía Tradicional RED TELEFÓNICA BÁSICA Componentes de la Red Telefónica Básica Sistemas de Conmutación Medios de Transmisión Modos de Transmisión Señalización Protocolo de Señalización SS Equipos Terminales Limitaciones de la Telefonía Tradicional Multicanalización Multicanalización por División de Tiempo (FDM) Multicanalización por División de Longitud de Onda (WDM) Multicanalización por División de Tiempo (TDM) Encaminamiento Estrategias de Encaminamiento Conmutación de Circuitos Tipos de Circuitos Redes de Conmutación de Circuitos Conmutación de Paquetes Redes de Conmutación de Paquetes Las Ventajas de una Red de Conmutación por Paquetes Técnicas de Conmutación de Paquetes Protocolos en la Conmutación de Paquetes iii

4 1.10 Red Digital de Servicios Integrados (RDSI) Principios de la RDSI Canales RDSI Conexiones de Terminales RDSI Ventajas de la RDSI Centrales Telefónicas Tradicionales PBX (Private Branch Exchange) Funciones de una PBX Tipos de Enlaces en PBX FUNDAMENTOS DE VOZ SOBRE IP Introducción a Voz sobre IP y Telefonía IP Arquitectura de la Red IP Estándar H Componentes Protocolos y Códecs en H Características de una Llamada H Protocolo SIP Componentes de SIP Métodos SIP Otros Protocolos de VoIP Calidad de Servicio en la VoIP Códecs Jitter Retardo o Latencia Eco Pérdida de Paquetes Diferencias entre Telefonía IP y Telefonía Tradicional Descripción de una IP PBX Funcionalidad de la IP PBX Clasificación de las IP PBXs iv

5 3 ASTERISK IP PBX Introducción a Asterisk Características de Asterisk Arquitectura de Asterisk Integración de Asterisk Funcionalidades de Asterisk Asterisk y la Telefonía Tradicional Interfaces Lógicos Interfaces Digitales Asterisk y la Telefonía de VoIP Asterisk y su Protocolo IAX Administración del Asterisk Asterisk y Casos de Uso PROTOTIPO PBX CON ASTERISK Requerimientos de Hardware Requerimientos Para el Procesador Requerimientos Para la Tarjeta Madre Otros Requerimientos Requerimientos de Software Instalación Configuración Ingreso de Usuario Cambio de IP (Estática) Administración Correo de Voz Extensiones Softphone v

6 5 COMPARACIÓN ASTERISK CON LA SOLUCIÓN NBX V3000 DE 3COM Descripción de NBX V Análisis Característico de Llamadas Análisis Comparativo Técnico Hardware Software Análisis Comparativo Económico Análisis de Costos de una IP PBX con Asterisk Vs NBX V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Conclusiones Recomendaciones BIBLIOGRAFÍA GLOSARIO DE TÉRMINOS ANEXOS vi

7 RESUMEN Actualmente la mayoría de las pequeñas y medianas empresas se han dado cuenta de la importancia que tiene el sistema de telefonía para la buena gestión de su negocio ya que de eso depende la primera impresión que el cliente recibe al contactarse y especialmente la eficiencia y eficacia para desarrollar el trabajo de los usuarios internos y externos. Por esta razón se ha visto la necesidad de implementar nuevas tecnologías que han venido evolucionando con el tiempo como es la de telefonía IP. Esta solución que se presentaba como no tan confiable por los diversos problemas que presento al principio en cuanto a la claridad del sonido, hoy en día es una de las más utilizadas. A pesar de presentarse como la solución a los problemas de comunicación de la mayoría de empresas, su adquisición resulto ser económicamente muy alta para las empresas con un presupuesto para telefonía bajo. Sin embargo, gracias al software libre hoy las empresas pueden contar con una solución que permite tener las características básicas con las que debe contar un sistema de telefonía completo como buzón de voz, IVR, distribución de llamadas entre otras, y características propias del software libre como son efectividad de costo, seguridad, flexibilidad, adaptabilidad y apoyo permanente. La IP PBX Asterisk se ha convertido en la solución de software telefónico corporativo más económico, confiable y robusta que una empresa puede tener en vii

8 cuanto a telefonía IP y ser implementada con poco presupuesto para tener todo un sistema de telefonía integrado. Cabe resaltar que con el tiempo la gente ve la importancia de contar con software de código abierto por la capacidad para adaptar los sistemas al negocio, y sobretodo para cubrir la necesidad de estar actualizado en tecnología, esto implica no quedarse atado a sistemas cerrados y de costo elevado. viii

9 INTRODUCCIÓN Tradicionalmente las redes han sido utilizadas para la transmisión de datos, sin embargo, VoIP es una tecnología que permite aprovechar las redes para algo más que transmitir datos. VoIP utiliza una red IP para transmitir voz lo que resulta algo novedoso y con un gran potencial para las organizaciones. Es un término relacionado con la utilización de las infraestructuras de una red, con el objeto de mantener una conversación. Para el usuario no hay ningún cambio debido a que se comunica con otro interlocutor marcando un número y estableciendo una comunicación a pesar de que internamente sí hay una diferencia. La comunicación telefónica tradicional utiliza la Red Telefónica Conmutada o una Red Digital de Servicios Integrados, pensada para la transmisión de datos. En el caso de una comunicación basada en VoIP, se utiliza una red que funcione con el protocolo IP. Las centrales telefónicas basadas en Asterisk, además de suponer un ahorro considerable en hardware y mantenimiento, aportan funcionalidades que otras centrales convencionales solo pueden ofrecer mediante costosas inversiones. Son muchas las empresas que han sustituido sus centrales convencionales por modernas centrales basadas en Asterisk puesto que es una solución de telefonía que se está convirtiendo en referencia mundial para soluciones PBX basadas en VoIP. 1

10 Asterisk es una plataforma software libre (Open Software) para el desarrollo de centrales telefónicas (PBXs) y es considerado por algunos como el sistema de telefonía más flexible y extensible de los que actualmente existen en el mercado. Proporciona todas las funcionalidades de los grandes sistemas propietarios y ofrece algunas posibilidades y servicios todavía no disponibles en ellos. Además, es el más competitivo en precio. El paquete básico de Asterisk incluye muchas características que antes sólo estaban disponibles en caros sistemas propietarios como creación de extensiones, envío de mensajes de voz a , llamadas en conferencia, menús de voz interactivos y distribución automática de llamadas. Pero quizás lo más interesante es que Asterisk soporta numerosos protocolos de VoIP como SIP y H.323. Los desarrolladores de Asterisk han diseñado un nuevo protocolo llamado IAX para una correcta optimización de las conexiones entre centrales Asterisk que mejoran las tasas de transmisión y prestaciones de comunicación. Este proyecto de investigación pretende demostrar que al soportar una mezcla de la telefonía tradicional y los servicios de VoIP. Asterisk permite a los desarrolladores construir nuevos sistemas telefónicos de forma eficiente o migrar de forma gradual los sistemas existentes a las nuevas tecnologías. Con Asterisk se pretende reemplazar antiguas centrales propietarias, proveer funcionalidades adicionales y reducir costes en llamadas a larga distancia utilizando Internet. 2

11 1 TELEFONÍA TRADICIONAL 1.1 EVOLUCIÓN DE LA TELEFONÍA TRADICIONAL * La telefonía es una de las tecnologías de telecomunicaciones que mayor impacto ha causado en la humanidad por su capacidad de transmitir a grandes distancias la voz. Al principio, cuando Graham Bell inventó el teléfono, éste era un aparato con un altavoz y un micrófono, unido mediante un cable con otro teléfono semejante situado a cierta distancia. A través de este cable se enviaba y recibía la voz de cada uno de los extremos, lo que permitió mantener conversaciones con personas situadas a distancia. La familia que deseaba tener un teléfono debía realizar la unión de los teléfonos remotos con los que deseaba mantener una conversación. Si no se ponía ese cable, era imposible hablar con el otro extremo. Eso provocó la aparición de una cantidad enorme de cables por las ciudades uniendo teléfonos particulares. Cuando la situación se volvió inmanejable se buscó una solución y se diseñó una entidad que se encargaría de gestionar los cables, de modo que cada teléfono se debía unir a esta entidad que se denominó central y cuyo diseño se observa en la Ilustración 1-1. [Ref] 3

12 Ilustración 1-1 Diseño de Central Telefónica Tradicional Si alguien deseaba realizar una llamada, en la central se unían los cables de ambos teléfonos, lo que permitía hablar con cualquier teléfono que estuviera conectado a la central, sin necesidad de conectar un cable específico con cada teléfono. Para aplicar este diseño se recurrió a la identificación de cada teléfono mediante un número. Los primeros sistemas utilizaban centrales telefónicas manuales en donde los operadores eran el enlace físico entre los teléfonos de los abonados utilizando un hilo de hierro o un par trenzado de cobre. De esta manera, para poder establecer una comunicación entre dos personas se debía establecer una línea punto a punto entre ellas es decir, para que varias personas pudieran hablar entre ellas se debía tener una topología de malla que significa que todos los teléfonos están unidos con todos. Para realizar una conferencia en ocasiones se demoraba varias horas ya que era preciso conseguir el canal de comunicación entre ambos extremos el cual no siempre estaba libre y se comenzó a instalar centrales en distintas ciudades, que luego eran unidas entre sí. Con esta idea, se pudieron realizar llamadas interurbanas y para lograrlo, la central origen debía unir el cable del teléfono que realizaba la llamada con el cable que la unía con la central destino y ésta, a su vez, debía unir el cable con el del teléfono destino. 4

13 Posteriormente, se introdujeron sistemas de marcación por pulsos, que eran generados en el teléfono del abonado que llama y eran descifrados por centrales automáticas que, en lugar de tener operadores humanos, añadieron componentes electromecánicos que realizaban una labor parecida, es decir, establecían un enlace físico entre ambos teléfonos. Hasta hoy en día, la infraestructura de conexión entre los teléfonos de las casas o también llamados terminales y la central se ha venido conservando desde sus comienzos hasta la actualidad debido al coste que supondría cambiar el sistema. 1.2 FUNCIONAMIENTO DE LA TELEFONÍA TRADICIONAL A pesar de los diversos avances, el funcionamiento básico de las redes de telefonía no ha cambiado. La realización de una llamada en forma global se compone de tres fases: Realización de la conexión Conversación Finalización de la conexión. El proceso que se realiza para establecer una llamada telefónica es el siguiente: [Ref] 5

14 Cuando un usuario decide realizar una llamada, descuelga el teléfono. Esta operación es detectada en la central (A) a la que está conectada, ésta envía un tono que invita a marcar. Cuando la central recibe el número destino, debe conseguir una conexión entre ambos extremos. En función del número decide con qué central (B) cercana debe conectarse para que la unión entre los extremos se realice. Una vez realizado, se reserva un canal de comunicación con la central B. Ese canal es de frecuencia en las centrales analógicas, o de tiempo en las centrales digitales. La central B realiza la misma operación, con una central (C), y ésta con otra, sucesivamente hasta que se llega a la central donde está conectado el teléfono destino. Cuando esto ocurre, ésta última realiza la conexión entre el canal proveniente del origen y el teléfono destino, el cual comenzará a sonar. Como resultado de todo el proceso, existe un canal de comunicación reservado entre el origen y el destino, que se mantendrá inmutable durante toda la llamada. Para finalizar la llamada, el teléfono origen es colgado, lo que se detecta en la central A, que cierra la conexión entre el teléfono y la central B. Al final, todos los canales reservados se liberan, pudiendo ser utilizados de nuevo para otras llamadas. 6

15 Lo más importante de este proceso es la existencia del canal reservado que no puede ser utilizado por ninguna otra llamada mientras no se liberen los recursos al finalizar la llamada, incluso aunque el canal no se utilice. Si en algún momento ninguno de los extremos habla, el canal estará de todas formas utilizado. Esto implica un notable desperdicio de recursos, en especial si nos damos cuenta de que las centrales tienen limitado el número de canales disponibles. 1.3 RED TELEFÓNICA BÁSICA La Red de Telefonía Básica (RTB) o Red Telefónica Pública Conmutada (RTPC) también conocida como PSTN1 por sus siglas en inglés, representa los elementos de telecomunicación que permiten la interconexión entre los millones de teléfonos fijos dispersos por todo el mundo, desde la central telefónica de un operador local de una ciudad, pasando por las centrales de tránsito nacionales, hasta los cables interoceánicos y otras conexiones internacionales. La Red Telefónica Básica está formada por tres niveles: Nivel de acceso: está formado por el bucle de abonado que se realiza a través del par trenzado de cobre. El bucle de abonado es el cableado que se extiende entre la central telefónica (conmutador) y los locales del usuario. 1 PSTN: Acrónimo de Public Switched Telephone Network, en español Red de Telefonía Pública Switcheada. 7

16 Nivel de comunicación: es el que mediante la conmutación de circuitos encamina la llamada entre las diferentes centrales creando un circuito único para cada conexión. Nivel de transporte: es el que se encarga de llevar la llamada a largas distancias y para ello se combinan diferentes elementos como el par trenzado, la fibra óptica, los enlaces de radio o incluso la transmisión vía satélite. La limitación, de la Red Telefónica Básica se encuentra en el bucle de abonado o par trenzado de cobre, cuya infraestructura hace que el ancho de banda de la transmisión sea excesivamente bajo. La lentitud en la transmisión de la información hace imposible determinados tipos de aplicaciones como el video bajo demanda o la videoconferencia. La tasa de transferencia real que se suele obtener con la Red Telefónica Básica suele estar alrededor de los 8-16 kbps. Para establecer una comunicación entre dos abonados o teléfonos, la Red Telefónica Pública Conmutada establece temporalmente un circuito que va de extremo a extremo de la red. Este procedimiento es conocido como Conmutación el cual permite establecer los caminos de comunicación dinámicamente para evitar tener conexiones directas entre todos los teléfonos del mundo, lo cuál resulta imposible. Se denomina red pública porque cualquier abonado puede suscribirse al operador de la red y este a su vez realizar llamadas a cualquier parte del mundo. La red es telefónica porque sólo esta diseñada para conectar circuitos de voz entre dos aparatos telefónicos. La red es conmutada porque los circuitos de voz se establecen mediante 8

17 Centrales Telefónicas que son las responsables de conmutar los recursos de la red y establecer conexiones temporales a bajo costo para los usuarios. 1.4 COMPONENTES DE LA RED TELEFÓNICA BÁSICA Para hacer posible la transmisión de voz a través de la Red Telefónica Pública Conmutada necesariamente tiene que estar conformada por sistemas de conmutación, medios de transmisión, señalización y equipos terminales. Estos componentes permiten el establecimiento y la terminación de una llamada telefónica Sistemas de Conmutación Los sistemas de conmutación permiten la interconexión manual o automática necesaria para establecer una trayectoria de comunicación entre abonados. La comunicación entre un origen y un destino habitualmente pasa por nodos intermedios que se encargan de encauzar el tráfico. En las llamadas telefónicas los nodos intermedios son las centrales telefónicas y en las conexiones a Internet, los encaminadores. Dependiendo de la utilización de estos nodos intermedios, se distingue entre conmutación de circuitos y de paquetes. Entre las funciones de un sistema de conmutación están: Identificar al abonado solicitante. 9

18 Analizar la información de selección. Seleccionar la vía o canal a utilizar. Transferirle la información de selección. Investigar el estado libre/ocupado del abonado solicitante. Informar al abonado A/B lo que le corresponde. Establecer/liberar el enlace. Supervisar la conexión. Liberar los caminos establecidos cuando la comunicación haya finalizado Medios de Transmisión La transmisión representa el medio físico que conduce las señales de voz o datos por la red a través de un medio físico de transmisión que puede ser el aire, cable coaxial, fibra óptica, satélite, etc. Las funciones de los sistemas de transmisión son organizar, segregar y optimizar la utilización de canales en el medio. Podemos clasificar los medios de transmisión en: Medios de transmisión guiados: En medios guiados, el ancho de banda o velocidad de transmisión dependen de la distancia y de si el enlace es punto a punto o multipunto. Entre los medios guiados tenemos: Par trenzado: consiste en un par de cables para cada enlace de comunicación. Este tipo de medio es el más utilizado en telefonía debido a su bajo coste pero 10

19 su inconveniente principal es su poca velocidad de transmisión y su corta distancia de alcance. Cable coaxial: consiste en un cable conductor interno separado de otro cable conductor externo por anillos aislantes o por un aislante macizo. Este cable, aunque es más caro que el par trenzado, se puede utilizar a más larga distancia, con velocidades de transmisión superiores, menos interferencias y permite conectar más estaciones. Fibra óptica: se trata de un medio muy flexible y muy fino que conduce energía de naturaleza óptica. Es un medio muy apropiado para largas distancias. Medios de Transmisión no guiados o Transmisión inalámbrica: Se utilizan medios no guiados, principalmente el aire. Se radia energía electromagnética por medio de una antena y luego se recibe esta energía con otra antena. Hay dos configuraciones para la emisión y recepción de esta energía: direccional y omnidireccional. Método direccional: toda la energía se concentra en un haz que es emitido en una cierta dirección, por lo que tanto el emisor como el receptor deben estar alineados. 11

20 Método omnidireccional: la energía es dispersada en múltiples direcciones, por lo que varias antenas pueden captarla. Cuanto mayor es la frecuencia de la señal a transmitir, más factible es la transmisión unidireccional Modos de Transmisión Según la forma en la que se transmite la información tenemos: Paralela: Se transmite simultáneamente una palabra de información utilizando tantos hilos de comunicación como bits componen la palabra. Serie: Envía un bit tras otro mediante un único circuito o hilo de comunicación. Según el sentido del flujo existen tres modos de transmisión: Simplex: La transmisión de datos se realiza en un solo sentido, desde una estación emisora a una estación receptora. Semidúplex o Half-dúplex: La transmisión de datos se realiza en ambos sentidos pero no simultáneamente. Dúplex o Full-duplex: La transmisión de datos se realiza en ambos sentidos simultáneamente. 12

21 1.4.4 Señalización Toda llamada telefónica requiere de un modelo de señalización para que sea establecida y mantenida. El envío del número telefónico, el tono de llamada o de ocupado y la información del número del que se llama son algunos ejemplos de señalización. La señalización permite el intercambio de información entre los componentes de una red telefónica para la provisión y el mantenimiento de dicho servicio. La función principal de un sistema de conmutación es establecer un contacto temporal entre dos usuarios que desean comunicarse mediante la información (numeración) proporcionada por el solicitante, por lo que se debe establecer un intercambio de señales (señalización) tanto entre el solicitante y la central local como entre central y el receptor, para completar la llamada. Estas señales corresponden a las distintas fases de conmutación. La aparición de los microprocesadores como utilidades de control de las centrales, ha dado lugar a la progresiva sustitución de los mecanismos de señalización convencionales por métodos más avanzados que se inspiran en las técnicas de diálogos entre los procesadores. Esto da a lugar una tipificación de la señalización: por canal asociado y por canal común. 13

22 Canal asociado (CAS 2 ): La señalización está directamente asociada al canal que transporta la información. Canal común (CCS 3 ): La señalización de todos los canales se hace por un canal específico, dentro de los disponibles. Varios canales de información se combinan junto con los de señalización dentro de un medio de transmisión común, las distintas señales se codifican y se mezclan en el extremo emisor, realizándose el proceso contrario en el receptor, para recuperar la señal digital original Protocolo de Señalización SS7 SS7 es el estándar de la tecnología de señalización de canal común, que consiste en el uso de un canal diferente al canal de voz, destinado únicamente a la señalización. Esta separación permite que se tenga un canal que lleve la conversación y, un canal que contenga la señalización, de manera que ambos se lleven a cabo de manera independiente. Por este motivo, SS7 es un sistema de señalización fuera de banda que se caracteriza por la transmisión de paquetes de datos a alta velocidad y por la posibilidad de permitir la señalización entre diferentes elementos de la red, entre los cuales no se tiene una comunicación directa. Entre las principales características de este protocolo tenemos: 2 CAS: Acrónimo de Common Associated Signalling, en español Señalización Asociada al canal. 3 CCS: Acrónimo de Common Channel Signalling, en español Señalización por canal común. 14

23 Permite que algunos de los nodos de la red puedan analizar las señales y llevar a cabo alguna acción determinada. Ofrece importantes servicios para el usuario final, entre los que destacan el identificador de llamadas, los números gratuitos y características de portabilidad del número telefónico. Permite que la señalización se lleve a cabo en todo momento, aún cuando no existan llamadas establecidas. Puede ser útil para activar funciones especiales mediante algún código, sin la necesidad de establecer propiamente una llamada telefónica Equipos Terminales Los equipos terminales son propiedad de los abonados, desde los aparatos telefónicos, los equipos de fax, las estaciones de trabajo o computadoras personales, conmutadores residenciales, hasta los complicados sistemas de telefonía privada de las grandes empresas. 1.5 LIMITACIONES DE LA TELEFONÍA TRADICIONAL Algunas de las limitaciones que tiene la Red Telefónica Básica son: 15

24 Altos costos en equipos de telefonía empresarial: A pesar de que la competencia en el mercado ha hecho caer los precios, las centrales tradicionales se han caracterizado por los altos costos de adquisición y expansión. De igual manera, los servicios resultan bastante costosos en un entorno corporativo con una alta exigencia de capacidad. Lentitud para desarrollar e implementar nuevos servicios: En la telefonía tradicional, la implementación de nuevos servicios de valor agregado es lenta y costosa debido a su alta dependencia de equipos. Si una empresa tiene una PBX tradicional y quiere agregarle capacidades para correo de voz o algún otro nuevo servicio, se debe hacer una fuerte inversión de dinero para adquirir el módulo respectivo. Capacidad proporcional a la infraestructura instalada: A pesar de que el diseño de la Red Telefónica Pública Conmutada asegura un buen trabajo en el establecimiento de los circuitos o caminos necesarios para realizar una comunicación entre dos abonados, el hecho de que el circuito establecido debe ser exclusivo para una llamada durante el tiempo que esta dure, hace que se desperdicien los recursos. 1.6 MULTICANALIZACIÓN En el área de las comunicaciones es común emplear técnicas para el aprovechamiento de los medios de comunicación contratados, entre las que se 16

25 encuentran la multicanalización y la concentración, de esta manera se puede ahorran costes y se puede disponer de más capacidad, sin tener que contratar nuevas líneas. Un multicanalizador (mux) es un dispositivo de telecomunicaciones que tiene como entrada muchos canales de información que los combina (multicanaliza) para transmitirlos en un solo canal de comunicaciones. En el otro extremo debe existir otro mux que realiza el proceso contrario, es decir, desmulticanaliza la entrada en varias salidas. Los canales de entrada pueden ser de diferentes fuentes como voz, datos, video o fax. En resumen los multicanalizadores optimizan el canal de comunicaciones y tienen las siguientes características: Permiten que varios dispositivos compartan un mismo canal de comunicaciones. Es útil para rutas de comunicaciones paralelas entre dos localidades. Minimizan los costos de las comunicaciones, al rentar una sola línea privada para comunicación. Normalmente los multicanalizadores se utilizan en pares, un multicanalizador en cada extremo del circuito. 17

26 Los datos de varios dispositivos pueden ser enviados en un mismo circuito por un multicanalizador. El multicanalizador receptor separa y envía los datos a los apropiados destinos. Existen tres técnicas fundamentales de multicanalización: Multicanalización por división de frecuencias (FDM 4 ). Multicanalización por división de longitud de onda (WDM 5 ). Multicanalización por división de tiempo (TDM 6 ) Multicanalización por División de Tiempo (FDM) La Multicanalización por división se tiempo, consiste en el establecimiento de distintos canales lógicos, con distintas bandas de frecuencia dentro de un canal físico. A cada canal lógico se le asigna una banda de frecuencia centrada en la frecuencia de la señal portadora (Señal senoidal de alta frecuencia) a la cual usualmente se hace que varíe alguno de sus parámetros como amplitud, frecuencia y fase, en proporción a la señal de banda base (Señal eléctrica) que se obtiene directamente desde la fuente del mensaje sin ningún tipo de modulación y sobre la que se va a modular la señal. 4 FDM: Acrónimo de Frequency Division Multiplexing, en español Multiplexación por división en frecuencia. 5 WDM: Acrónimo de Wavelength Division Multiplexing, en español Multiplexación por división en longitud de onda. 6 TMD: Acrónimo de Frequency Division Multiplexing), en español Multiplexación por división de tiempo. 18

27 Para multiplexar varios canales juntos, se les asigna a cada canal virtual un ancho de banda lo suficientemente grande para que no interfiera con los demás y mantenerlos separados. Primero se eleva la frecuencia de cada canal original, cada uno en una cantidad diferente y para después combinarlas. Esta ha sido la técnica empleada durante mucho tiempo en las transmisiones de conversaciones telefónicas, pueden aparecer perturbaciones y ruido de intermodulación. Características de FMD Es posible utilizar FDM cuando el ancho de banda útil del medio de transmisión supera el ancho de banda requerido por las señales a transmitir. Hay simultaneidad en la transmisión de señales porque cada una de ellas se modula con una frecuencia portadora diferente y estas frecuencias están suficientemente separadas. La señal compuesta transmitida a través del medio es analógica. Las señales de entrada siempre deben ser moduladas, para trasladarlas a la banda de frecuencia apropiada. Si la señal de entrada es digital, se debe pasar a través de un modem para convertirla en analógica y posteriormente modularla. 19

28 1.6.2 Multicanalización por División de Longitud de Onda (WDM) La tecnología conocida como Multicanalización por División de Longitud de Onda, a pesar de existir desde hace varios años, es hoy en día uno de los temas de mayor interés dentro del área de la infraestructura de redes ópticas. Los enlaces de comunicación óptica permiten el envío simultáneo de diferentes longitudes de onda a través de una sola fibra. Ésta es una importante característica, posible gracias a la tecnología WDM, que consiste en combinar varias longitudes de onda dentro de la misma fibra. Conceptualmente, esta forma de multicanalización es similar a FDM (Multicanalización por división de frecuencia), utilizada en sistemas satelitales y de microondas. Mientras que FDM consiste en transmitir varias señales al mismo tiempo a través de un solo canal de banda ancha, modulando primero cada una de ellas en una subportadora distinta y, posteriormente, reuniéndolas para formar una sola señal, WDM reúne diferentes longitudes de onda para formar la señal que se transmitirá. De manera similar a otras formas de multicanalización, WDM requiere que cada longitud de onda sea debidamente espaciada de las demás, con el objeto de evitar la interferencia intercanal. Características de WMD Los canales WDM se comportan como filtros que únicamente permiten el paso de las señales ópticas especificadas para cada canal. A pesar de que actualmente se desarrollan técnicas para alojar más de 2000 canales en una sola 20

29 fibra, los multicanalizadores más comunes que existen cuentan con 2, 4, 8, 16, 32 ó 64 canales. Al momento de implementar tecnologías WDM, es muy importante que los multicanalizadores utilicen fuentes láser con diferentes longitudes de onda, y que estas fuentes se sintonicen de acuerdo a las longitudes de onda o bandas específicas del multicanalizador. De no utilizar las longitudes de onda correctas, el sistema podría no funcionar adecuadamente Multicanalización por División de Tiempo (TDM) Un multicanalizador basado en Multicanalización por división de tiempo, empaqueta un conjunto de información (tramas de bits) de diferentes fuentes en un solo canal de comunicación en tiempos muy cortos diferentes. En el otro extremo estas tramas son otra vez reensambladas y llevadas a su respectivo canal. Los multicanalizadores TDM como manejan tramas de bits son capaces además de comprimir la información al eliminar redundancias en los paquetes, muy útil en el caso de aplicaciones de voz. Este método se usa para señales digitales o analógicas que previamente se hayan digitalizado y transmitirlas por un mismo canal físico, mezclando a distintos intervalos de tiempo (time slot), distintas partes de la señal. La mezcla se puede realizar bit a bit o en bloques. 21

30 Características de TDM Se lleva a cabo cuando la velocidad de transmisión alcanzable por el medio es mayor que la velocidad de las señales a transmitir. Transporta varias señales digitales (o analógicas) a través de una única ruta de transmisión mediante la mezcla temporal de las partes de cada una de ellas. La transmisión es generalmente síncrona que consiste en el envío de una trama de datos (conjunto de caracteres) que configura un bloque de información comenzando con un conjunto de bits de sincronismo y termina con otro conjunto de bits de final de bloque. En este caso, los bits de sincronismo tienen la función de sincronizar los relojes existentes tanto en el emisor como en el receptor, de tal forma que estos controlan la duración de cada bit y caracter. Los datos se transmiten mediante formato de tramas. Normalmente una trama constará de cabecera, datos y cola. En la cola suele estar algún chequeo de errores. En la cabecera habrá campos de control de protocolo. La parte de datos es la que quiera transmitir en nivel de comunicación superior. Independientemente como se lleve a cabo la multicanalización se pueden incorporar varias formas de estructuras de bits, cada una de las cuales 22

31 representa la mínima unidad de tiempo en la que todas las señales multicanalizadas se transmiten al menos una vez. Continuando con la trama, deben agregarse palabras de bits para la estructura y la sincronía para permitir que el sistema receptor se sincronice en el tiempo con el inicio de cada estructura, con cada espacio de ella y con cada bit contenido en estos espacios. Estos bits pueden denominarse en forma colectiva bit de control. Deben tomarse precauciones que permitan manejar pequeñas variaciones de las velocidades de bits de las señales digitales multicanalizadas que llegan al receptor. La TDM es eficiente para un número de estaciones pequeñas y tráfico continuo. Las técnicas TDM por lo general son preferidas a las técnicas FDM ya que la transmisión de datos está libre de error y la información de voz es fácil de transmitir. 1.7 ENCAMINAMIENTO Hay dos formas de elegir un encaminamiento eficiente, una es elegir el camino más corto (la distancia entre la estación emisora y la receptora es la mínima) y otra es 23

32 elegir el menor número de saltos (entre la estación emisora y la receptora hay el menor número de nodos) Estrategias de Encaminamiento Encaminamiento estático: Cada nodo encaminará sus datos a otro nodo adyacente y no cambiará dicho encaminamiento nunca (mientras dure la topología de la red). Existe un nodo de control que mantiene la información centralizada. Como cada nodo encaminará sus datos sólo a un nodo adyacente para cada nodo destino posible, sólo es necesario almacenar estos contactos entre nodos adyacentes y no todos los caminos entre todos los nodos de la red. En el nodo central se almacenan todas las tablas de encaminamientos, pero en cada nodo sólo hay que almacenar las filas que conectan ese nodo con el siguiente para conseguir el encaminamiento a cada nodo posible destino de la red. Este sistema es muy eficiente y sencillo pero poco tolerante a fallos en nodos adyacentes, ya que sólo puede encaminar a uno. Inundaciones: Consiste en que cada nodo envía una copia del paquete a todos sus vecinos y éstos lo reenvía a todos sus vecinos excepto al nodo del cuál lo habían recibido. De esta forma se asegura que el paquete llegará a su destino en el mínimo tiempo posible. Para evitar que a un nodo llegue un paquete repetido, el nodo debe guardar una información que le haga descartar un paquete ya recibido. 24

33 Esta técnica, al ser muy robusta y de coste mínimo, se puede usar para mensajes de alta prioridad o muy importante. El problema es la gran cantidad de tráfico que se genera en la red. Esta técnica libera de los grandes cálculos para seleccionar un encaminamiento. Encaminamiento aleatorio: Consiste en que en cada nodo, se elegirá aleatoriamente el nodo al cuál se va a reenviar el paquete. De esta forma, se puede asegurar que el paquete llegará al destino pero en un mayor tiempo que en el de inundaciones. Pero el tránsito en la red es mucho menor. Encaminamiento adaptable: Consiste en que la red va cambiando su sistema de encaminamiento conforme se cambian las condiciones de tráfico de la red. Para conseguir esto, los nodos deben de intercambiar información sobre congestión de tráfico y otros datos. 1.8 CONMUTACIÓN DE CIRCUITOS En la conmutación de circuitos se establece un camino físico entre el origen y el destino durante el tiempo que dure la transmisión de datos. Las comunicaciones a través de líneas telefónicas analógicas o digitales funcionan mediante conmutación de circuitos como se indica en la Ilustración

34 Ilustración 1-2 Conmutación de Circuitos Tipos de Circuitos Circuitos físicos: Son canales de comunicaciones a través de los cuales los usuarios finales que operan terminales y computadoras se comunican entre sí. A estos también se los llama canales, enlaces, líneas y troncales. Un canal es el medio físico a través del cual viaja la información de un punto a otro. Sus características son importantes para una comunicación efectiva, ya que de ellas depende en gran medida la calidad de las señales recibidas o en los nodos intermedios en una ruta. Circuitos virtuales: El termino circuito virtual se utiliza para describir el caso en el que un circuito es compartido por más de un usuario pero estos no tienen conocimiento del uso compartido del mismo. El hecho de compartir el circuito implica el uso de alguna técnica de multiplexación, generalmente multiplexación por frecuencia o por tiempo. 26

35 1.8.2 Redes de Conmutación de Circuitos En las redes de conmutación de circuitos, como es la Red Telefónica Pública Conmutada, se transmiten múltiples llamadas a través del mismo medio de transmisión como el cobre o la fibra óptica. En una red de conmutación de circuitos existe una conexión dedicada en donde un circuito o un canal se establecen entre dos nodos para que se puedan comunicar. Los nodos son dispositivos de conmutación que propagan la comunicación. Cuando se establece una llamada entre dos nodos, esa conexión sólo la pueden usar estos dos nodos. Cuando uno de los dos nodos termina la llamada, la conexión de cancela. Una de las desventajas de la conmutación de circuitos es que son relativamente ineficaces, ya que se puede desperdiciar ancho de banda. Adicionalmente, se debe prever el número máximo de llamadas de teléfono que se necesitará en períodos de uso intenso y pagar por el uso del circuito o de los circuitos que admitan el número máximo de llamadas. La ventaja es que cuando se usa un circuito en una red de conmutación de circuitos, tiene el circuito completo durante todo el tiempo que lo esté utilizando, sin la competencia de otros usuarios. Una comunicación mediante circuitos conmutados posee tres etapas bien definidas: 27

36 Establecimiento del circuito: Cuando un usuario quiere obtener servicios de red para establecer una comunicación se deberá establecer un circuito entre la estación de origen y la de destino. En esta etapa dependiendo de la tecnología utilizada se pueden establecer la capacidad del canal y el tipo de servicio. Transferencia de datos: Una vez que se ha establecido un circuito puede comenzar la transmisión de información. Dependiendo del tipo de redes y del tipo de servicio la transmisión será digital o analógica y el sentido de la misma será unidireccional. Cierre del circuito: Una vez que se ha transmitido todos los datos, una de las estaciones comienza la terminación de la sesión y la desconexión del circuito. Una vez liberado los recursos utilizados por el circuito pueden ser usados por otra comunicación. 1.9 CONMUTACIÓN DE PAQUETES Para entender el concepto de conmutación de paquetes es necesario establecer que es un paquete. Un paquete es un pedazo de información enviada a través de la red que contiene la dirección de origen, la dirección de su destino, e información acerca de cómo volver a unirse con otros paquetes emparentados. La conmutación de paquetes es la que se utiliza cuando hablamos de redes de datos y es el proceso mediante el cual se separan los datos en paquetes. Este proceso permite 28

37 que paquetes de distintas localizaciones se entremezclen en las mismas líneas, que sean clasificados y dirigidos a distintas rutas. Los mensajes fragmentados se envían de forma independiente desde el origen al destino. De esta manera, los nodos no necesitan una gran memoria temporal y el tráfico por la red es más fluido. Existen una serie de problemas añadidos como la pérdida de un paquete que provocará que se descarte el mensaje completo; además, como los paquetes pueden seguir rutas distintas puede darse el caso de que lleguen desordenados al destino. Esta es la forma de transmisión que se utiliza en Internet: los fragmentos de un mensaje van pasando a través de distintas redes hasta llegar al destino como se muestra en la Ilustración 1-3. Ilustración 1-3 Diseño de Transmisión de Paquetes En el universo de la conmutación por paquetes, hay un sólo canal con ancho de banda amplio, compartido por muchos usuarios. Este canal proporciona capacidad de caudal de procesamiento de entrada y salida desde varias decenas de Megabits por segundo hasta varios cientos de Megabits por segundo, dependiendo de la red. El 29

38 hecho de que varios usuarios comparten un conducto o canal común, existe la necesidad de contar con un conjunto de reglas que todos los usuarios deben observar para compartir ese recurso de manera justa y eficiente. Con un conjunto de reglas o "protocolo" bien diseñado, la red de acceso compartido es capaz de proporcionar un servicio eficiente y eficaz al usuario Redes de Conmutación de Paquetes En las redes de conmutación de paquetes, como es Internet, los paquetes se enrutan a su destino por la ruta más oportuna, pero no todos los paquetes que viajan siguen la misma ruta, ni siquiera los que pertenecen a un mismo mensaje. Esto produce que los paquetes lleguen en diferentes momentos y desordenados. En una red de conmutación de paquetes, los paquetes (mensajes o fragmentos de mensajes) se enrutan individualmente entre los nodos en vínculos de datos que pueden estar compartidos por otros nodos. En la conmutación de paquetes, a diferencia de la conmutación de circuitos, las diferentes conexiones con nodos de la red comparten el ancho de banda disponible. Las redes de conmutación de paquetes permiten la comunicación de datos mediante Internet en todo el mundo. Se pueden encontrar redes de conmutación de paquetes en entornos de redes LAN 7 o WAN 8. Un entorno WAN de conmutación de paquetes 7 LAN: Acrónimo de Local Area Network, en español Red de Área Amplia. 8 WAN: Acrónimo en inglés de Wide Area Network, en español Red de Área Amplia. 30

39 depende de circuitos telefónicos, pero éstos están organizados de tal forma que mantienen una conexión permanente con su punto final. En un entorno LAN de conmutación de paquetes, como una red Ethernet, la transmisión de los paquetes de datos depende de la conmutación de los paquetes, los enrutadores y los cables de la LAN. La conmutación establece una conexión entre dos segmentos sólo el tiempo suficiente para enviar el paquete. Los paquetes entrantes se guardan en un área de memoria temporal o un búfer de la memoria. En un marco de Ethernet se contiene la carga o la porción de datos del paquete y un encabezado especial que incluye la información de dirección de control de acceso de medios del origen y el destino del paquete. Cuando los paquetes llegan a su destino, un ensamblador de paquetes los vuelve a ordenar. El ensamblador de paquetes es necesario por las diferentes rutas que pueden seguir los paquetes. Las redes de conmutación de paquetes han hecho posible que exista Internet y, al mismo tiempo, ha hecho que las redes de datos, especialmente las redes IP basadas en LAN, estén más disponibles de forma más generalizada Las Ventajas de una Red de Conmutación por Paquetes La eficiencia de la línea es mayor ya que cada enlace se comparte entre varios paquetes que estarán en cola para ser enviados en cuanto sea posible. 31

40 Se permiten conexiones entre estaciones de velocidades diferentes, esto es posible ya que los paquetes se irán guardando en cada nodo conforme lleguen (en una cola) y se irán enviando a su destino. No se bloquean llamadas ya que todas las conexiones se aceptan, aunque si hay muchas, se producen retardos en la transmisión. Se pueden usar prioridades es decir, un nodo puede seleccionar de su cola de paquetes en espera de ser transmitidos, aquellos más prioritarios según ciertos criterios de prioridad Técnicas de Conmutación de Paquetes Cuando un emisor necesita enviar un grupo de datos mayor que el tamaño fijado para un paquete, éste los fragmenta en paquetes y los envía uno a uno al receptor. Hay dos técnicas básicas para el envío de estos paquetes: Técnica de datagramas: cada paquete se trata de forma independiente, es decir, el emisor enumera cada paquete, le añade información de control (por ejemplo número de paquete, nombre, dirección de destino, etc.) y lo envía hacia su destino. Puede ocurrir que por haber tomado caminos diferentes, un paquete con número por ejemplo 6 llegue a su destino antes que el número 5. También puede ocurrir que se pierda el paquete número 4. Todo esto no lo sabe ni puede controlar el emisor, por lo que tiene que ser el receptor el encargado de ordenar los paquetes y saber los que se 32

41 han perdido (para su posible reclamación al emisor), y para esto, debe tener el software necesario. Técnica de circuitos virtuales: antes de enviar los paquetes de datos, el emisor envía un paquete de control que es de Petición de Llamada, este paquete se encarga de establecer un camino lógico de nodo en nodo por donde irán uno a uno todos los paquetes de datos. De esta forma se establece un camino virtual para todo el grupo de paquetes. Este camino virtual será numerado o nombrado inicialmente en el emisor y será el paquete inicial de Petición de Llamada el encargado de ir informando a cada uno de los nodos por los que pase de la llegada de los paquetes de datos con ese nombre o número. Las ventajas de los circuitos virtuales frente a los datagramas son: El encaminamiento en cada nodo sólo se hace una vez para todo el grupo de paquetes. Por lo que los paquetes llegan antes a su destino. Todos los paquetes llegan en el mismo orden del de partida ya que siguen el mismo camino. 33

42 En cada nodo se realiza detección de errores, por lo que si un paquete llega erróneo a un nodo, éste lo solicita otra vez al nodo anterior antes de seguir transmitiendo los siguientes. Desventajas de los circuitos virtuales frente a los datagramas: En datagramas no hay que establecer llamada (para pocos paquetes es más rápida la técnica de datagramas). Los datagramas son más flexibles, es decir que si hay congestión en la red una vez que ya ha partido algún paquete, los siguientes pueden tomar caminos diferentes (en circuitos virtuales, esto no es posible). El envío mediante datagramas es más seguro ya que si un nodo falla, sólo un paquetes se perderá (en circuitos virtuales se perderán todos) Protocolos en la Conmutación de Paquetes Los protocolos definen reglas para el intercambio de información entre los diferentes niveles de una red. Entre los principales tenemos: 34

43 ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line) Ofrece todo tipo de servicios multimedia interactivos a velocidades de hasta 8 Mbps a través de las redes telefónicas tradicionales. Una de sus principales aplicaciones es proporcionar accesos a Internet de alta velocidad, sirviendo de soporte a las comunicaciones de oficinas remotas y teletrabajadores. Un servicio en el que ya empieza a competir con la tecnología de "módems de cable". El estándar ADSL trasforma radicalmente las redes telefónicas públicas actuales, limitadas al tráfico de voz, texto y gráficos de baja resolución, en sistemas capaces de llevar hasta empresas y hogares vídeo digital conmutado y otros servicios interactivos avanzados de un modo simultáneo. Con ADSL, un archivo de 900 KB no comprimido que incluya imágenes en color puede ser descargado a una velocidad de 3,6 Mbps en dos segundos. Esta tecnología permite comunicaciones bidireccionales de 640 Kbps capaces de soportar vídeo y videoconferencia. FRAME RELAY Es un protocolo de conmutación de paquetes que conecta dos redes de área local a través de una red pública de conmutación de paquetes. Un paquete de datos procedente de una LAN 9 se inserta en un paquete Frame Relay y a continuación se transmite por la red Frame Relay hasta la LAN destino. Frame Relay utiliza técnicas 9 LAN: Acrónimo de Local Area Network, en español Red de área local. 35

44 de "multiplexación estadística" para insertar datos procedentes de diversas fuentes en las dependencias del cliente y transmitirlos a la red Frame Relay. Esencialmente, la multiplexación estadística suministra a la red el "ancho de banda", es decir, la red es capaz de obtener el ancho de banda que necesita cuando lo necesita sin tener que reservar por adelantado este ancho de banda y mantenerlo sin usar hasta que se requiera. Cada paquete Frame Relay contiene la información de direccionamiento que la red emplea para encaminarlo a través de centrales de conmutación de la compañía telefónica. X.25 Es el protocolo más utilizado en conmutación de paquetes, sobretodo en RDSI. Este protocolo especifica funciones de tres capas del modelo OSI 10 : capa física, capa de enlace y capa de paquetes. Permite establecer conexión con varios puntos desde un mismo enlace utilizando circuitos virtuales, que pueden ser conmutados o permanentes. Las velocidades disponibles se encuentran comprendidas entre bps y 2 Mbps. 10 OSI: Acrónimo de Open System Interconnection, en español Sistema de Interconexión Abierto. 36