UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA EVALUACIÓN TÉCNICO ECONÓMICA DE IMPLEMENTACIÓN DE TELEFONÍA IP EN EMPRESA QUINTEC MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA SERGIO PATRICIO LILLO MORALES PROFESOR GUÍA: NICOLÁS BELTRÁN MATURANA MIEMBROS DE LA COMISIÓN: RODRIGO PALMA BEHNKE ALONSO VERA CARRASCO SANTIAGO DE CHILE NOVIEMBRE 2006

2 RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA POR: SERGIO LILLO MORALES FECHA: NOVIEMBRE 2006 PROF. GUÍA: NICOLÁS BELTRÁN M. EVALUACIÓN TÉCNICO-ECONÓMICA DE IMPLEMENTACIÓN DE TELEFONÍA IP EN EMPRESA QUINTEC Las comunicaciones son una herramienta fundamental utilizada por todas las empresas para mejorar la productividad de sus procesos. En particular, los sistemas telefónicos y de redes de datos son muy utilizados dentro de dicho contexto. En la actualidad, dicha descripción separada de servicios está evolucionando hacia el concepto de redes convergentes, donde todo el flujo de información transita por redes de datos. La empresa Quintec S.A. enfoca su área de negocios a ofrecer servicios tecnológicos a sus clientes mediante la incorporación de plataformas tecnológicas. Dentro de sus planes de modernización, Quintec está interesada en adoptar un sistema de redes convergentes para sus comunicaciones y necesidades de datos. El objetivo del presente trabajo es realizar la evaluación técnico-económica de la tecnología de telefonía IP para la empresa Quintec. Este estudio incluye el diseño de la arquitectura mediante soluciones de cuatro proveedores líderes en el mercado y a los cuales se les realiza una evaluación de ventajas y características la cual permite seleccionar la solución más conveniente. La solución es analizada con herramientas de evaluación de proyectos que permiten verificar la viabilidad económica de implantación en la empresa, así como para proponer la mejor manera de realizar la transición de arquitectura. Se plantean cuatro arquitecturas de solución, para estudiar las distintas ofertas disponibles en telefonía IP. Se realiza una preevaluación económica considerando el tamaño de la inversión a realizar en condiciones equivalentes, seleccionándose las dos mejores alternativas para analizar sus ventajas y desventajas. La evaluación económica de la alternativa se realiza mediante el análisis de tres escenarios que coinciden en tener la misma arquitectura central, pero difieren en la cantidad de terminales IP y de switches a instalar. Las conclusiones del análisis económico llevan a recomendar la implementación del escenario con menor cantidad de teléfonos IP. Como resultado del trabajo se presenta una solución que satisface las necesidades de comunicación de Quintec y presenta las características técnicas necesarias para permitir la integración de las redes de datos y de teléfonos de la empresa, así como la unificación de la red con las sucursales más importantes de regiones. Finalmente se sugiere como trabajo futuro la implementación de la solución por parte de una empresa integradora de soluciones de telefonía IP, así como la evaluación técnicoeconómica de la actualización de plataforma del actual call center de Quintec, evaluación que no formó parte del presente estudio. Además de lo anterior, se recomienda investigar la integración de redes de próxima generación a la telefonía IP. Las redes mencionadas proporcionan la capacidad de transportar información de manera independiente de su formato o tipo, otorgando nuevas capacidades a los servicios o tecnologías que utilicen plataforma IP para el transporte de información.

3 . para ti, que estás en el cielo y que nunca me dejaste solo

4 Índice 1 Introducción Motivación Alcance del trabajo Objetivo General Objetivos Específicos Estructura del Trabajo 10 2 Estado del Arte de la Telefonía IP VoIP v/s Telefonía IP Codificación de la voz Transferencia de Voz en Paquetes IP Comparación de Protocolos de Señalización Estandarización Arquitectura (Centralizada versus Distribuida) Transporte de Señalización Multimedia Codificación del Control de Llamados Ventajas Ventajas H Ventajas SIP Ventajas MGCP SIP - Session Initiation Protocol Agentes Usuarios Servidores de Red Direccionamiento Localizando un Servidor Transacciones SIP Localizando a un Usuario Mensajes SIP Ejemplo de Funcionamiento de un Servidor Proxy Ejemplo de Funcionamiento de un Servidor de Redireccionamiento Consideraciones de Implementación Introducción: Arquitectura Global Consideraciones de Alimentación Conexión de Terminales Alta Disponibilidad Calidad de Servicio (QoS) 40 3 Análisis de Redes de Datos y Telefonía en Quintec Marco General Análisis de la Red de Datos de Quintec Red de Datos Edificio Santa María Red de Datos Edificio Santa Isabel Análisis de la Red Telefónica de Quintec Resumen Estado de Redes 49 1

5 4 Estudio de Soluciones Disponibles Marco General Solución General Cisco Solución General Nortel Solución General Avaya Solución General 3Com Descripción General de la Arquitectura de Telefonía IP para Quintec Arquitectura Cisco Arquitectura Nortel Arquitectura Avaya Arquitectura 3Com Beneficios de la Telefonía IP Aplicados a Quintec Simplicidad de Administración Ahorros en Llamados Virtualidad Videoconferencias Aplicaciones Programables Mensajería Unificada Calidad de Servicio 71 5 Análisis de las Soluciones y Preevaluación Económica Análisis según requerimientos de Quintec Seguridad Estabilidad Redundancia Equipos de Borde Mensajería Unificada Terminales Resumen Análisis Según Requerimientos Preevaluación Económica Análisis Comparativo Cisco Systems Nortel Networks 77 6 Evaluación Económica Marco General Escenario 1: Full IP Escenario 2: Full Santa María + Migración Santa Isabel Escenario 3: Migración Quintec 86 7 Discusión y Conclusiones 89 8 Anexo: Listado de equipamiento para implementación 93 2

6 Índice de Figuras Figura 2.1: Modelo OSI y su correspondencia con Telefonía IP 20 Figura 2.2: Paquete de VoIP antes de la compresión del encabezado 22 Figura 2.3: Paquete de VoIP después de la compresión del encabezado 22 Figura 2.4: Ejemplo de funcionamiento de servidor proxy SIP 32 Figura 2.5: Ejemplo de funcionamiento de servidor de redireccionamento 33 Figura 2.6: Conexión con punto de datos único 38 Figura 3.1: Diagrama de red de datos de Quintec 43 Figura 3.2: Estructura general conexión telefónica Quintec 47 Figura 3.3: Resumen redes datos y telefónica de Quintec 49 Figura 4.1: Arquitectura Cisco con procesamiento centralizado 52 Figura 4.2: Arquitectura general Nortel 54 Figura 4.3: Arquitectura de solución IPT de Avaya 56 Figura 4.4: Solución general 3Com 58 Figura 4.5: Arquitectura Cisco para Quintec 61 Figura 4.6: Arquitectura Nortel para Quintec 63 Figura 4.7: Arquitectura Avaya para Quintec 65 Figura 4.8: Arquitectura 3Com para Quintec 67 Figura 5.1: Solución Cisco final con adaptador RedVoiss 78 3

7 Índice de Tablas Tabla 2.1: Anchos de banda para codificadores de voz 17 Tabla 2.2: Procedimiento de compresión de encabezado de CRTP 23 Tabla 2.3: Características comparativas de protocolos de señalización 25 Tabla 5.1: Análisis comparativo según requerimientos 73 Tabla 5.2: Comparación inversión 76 Tabla 6.1: Inversión a realizar por sitio en escenario 1 81 Tabla 6.2: Ahorros generados en escenario 1 82 Tabla 6.3: Flujo de caja escenario 1 83 Tabla 6.4: Inversión por sitio en escenario 2 84 Tabla 6.5: Ahorros generados en escenario 2 85 Tabla 6.6: Flujo de caja en escenario 2 85 Tabla 6.7: Inversiones por sitio en el escenario 3 87 Tabla 6.8: Ahorros en el escenario 2 87 Tabla 6.9: Flujo de caja en escenario 3 88 Tabla 8.1: Detalle equipamiento para implementación 93 4

8 1 Introducción 1.1 Motivación En el mercado de las tecnologías de la información (TI) es fundamental que las empresas tengan un marcado conocimiento sobre las tecnologías que venden, así como fomentar su uso mediante la incorporación de dichas tecnologías a cubrir necesidades de ellas mismas. Quintec S.A. es una de las empresas más grandes en el mercado TI nacional y latinoamericano, con 800 empleados y cobertura en todo Chile y en cinco países latinoamericanos. Los servicios que ofrece la empresa se caracterizan por ser integraciones tecnológicas que satisfacen las necesidades de sus clientes en las áreas de procesamiento de datos, almacenamiento, comunicaciones, etc. Entre todas las tecnologías que Quintec vende y promociona, se encuentran las redes de computadores y, en particular, sistemas de telefonía IP (Internet Protocol). Quintec se encuentra en un plan de expansión que implica crecimiento en personal y, por lo tanto, necesidad de dar comunicaciones eficientes a toda la compañía. En la actualidad, este crecimiento en comunicaciones está limitado por el sistema telefónico, pues las plantas no permiten agregar anexos adicionales sin la incorporación de hardware adicional. En forma adicional a la necesidad de crecimiento planteado anteriormente, es sabido que el mercado actual de comunicaciones, al menos a nivel empresarial, evoluciona hacia la implantación de telefonía IP. Por lo mismo, es necesario responder la duda de que si es conveniente seguir invirtiendo en el actual sistema telefónico si es que existe una probabilidad alta de que este necesite ser reemplazado en un futuro próximo. Además de lo anterior, existe la posibilidad de que clientes de Quintec exijan acceso IP para mantener sus servicios de comunicaciones contratados con la empresa, por lo que se hace imperioso evaluar un sistema de telefonía IP para la empresa. En el plan de incorporación de nuevos productos para la venta, Quintec se encuentra al momento del desarrollo del presente trabajo en proceso de certificación para vender soluciones de telefonía IP con el proveedor Cisco 5

9 Systems. Por lo anterior, es importante que se diseñe una estrategia de usar las mismas tecnologías vendidas. Finalmente y en forma adicional a todo lo anterior, los sistemas de telefonía IP permiten obtener ahorros en comunicaciones y administración, lo que incentiva a la inversión de la tecnología mencionada. Por todos los factores anteriores, se hace necesario para la empresa realizar la evaluación técnica y económica de la implementación de la telefonía IP. Es necesario saber los costos y beneficios asociados a dicha tecnología y la manera de realizar la inversión, por lo que este estudio busca resolver dichas dudas y entregar la información necesaria que sugiera a los directivos de la empresa la manera de invertir en la telefonía IP. 6

10 1.2 Alcance del Trabajo En el presente trabajo se define la arquitectura necesaria para que la empresa Quintec cuente con la tecnología de telefonía IP. Se considera el estudio y diseño de la solución necesaria para proveer de un sistema de redes convergentes que solucione las necesidades de comunicación de la empresa. La evaluación considera el estudio de las propuestas de una cantidad limitada de proveedores y de una posterior evaluación económica. Es necesario mencionar que este trabajo tiene carácter de anteproyecto, buscando generar un documento que ayude a la empresa Quintec a tomar la decisión de invertir en telefonía IP. Por lo anterior, la implementación del sistema diseñado se considera fuera del alcance del proyecto. 7

11 1.3 Objetivo General En el contexto descrito, el objetivo general de este trabajo de título es generar un documento que permita dimensionar la arquitectura necesaria para la implementación de la tecnología de telefonía IP en la empresa Quintec, mediante el estudio de equipamiento de cuatro proveedores, de acuerdo a la situación actual de las redes de la empresa. Se busca disponer de una evaluación comparativa de dichas soluciones de manera de escoger una de ellas y diseñar un plan de ingreso de la tecnología evaluada de manera de obtener el máximo beneficio y menor impacto para la empresa Objetivos Específicos Los objetivos específicos de este trabajo son: Realizar un estudio del estado del arte de la telefonía IP, con la finalidad de contextualizar el presente trabajo en el ámbito tecnológico que pertenece y dar a conocer al lector el estado de la tecnología en la actualidad. Investigar la red de datos y telefonía de Quintec de manera de conocer los requerimientos para realizar la evolución hacia una red convergente de telefonía IP. Definir la arquitectura necesaria para la implementación de la telefonía IP en Quintec, analizando 4 proveedores según su importancia en el mercado y cercanía a la empresa. Escoger uno de los proveedores estudiados según el beneficio que presenta para la empresa y realizar con este un análisis económico que contemple distintos escenarios de ingreso de la tecnología. 8

12 1.4 Estructura del Trabajo El presente trabajo tiene una estructura de 7 capítulos, que van desde la introducción a la telefonía IP como tecnología y su necesidad en la empresa Quintec, hasta la evaluación económica y las conclusiones finales. El presente capítulo presenta la motivación que genera este trabajo. Se muestra las necesidades de comunicación en la empresa producto de su crecimiento y su alto costo en mantención y configuración del sistema actual telefónico. En el segundo capítulo se presenta el estado del arte de la telefonía IP. Se estudian los procesos que hacen posible la transferencia de voz sobre redes de datos. Se muestran los elementos básicos que forman una arquitectura de telefonía IP y se estudian las recomendaciones para una correcta implementación de esta tecnología. En el tercer capítulo se muestra la descripción detallada de las redes telefónicas y de datos de la empresa Quintec. Se analiza la cantidad de usuarios, enlaces, equipos utilizados, etc. con la finalidad de conocer la capacidad que tienen las redes actuales de migrar hacia una red convergente única. En el cuarto capítulo se estudian las soluciones de los cuatro proveedores seleccionados para el presente trabajo. Se comienza por analizar las soluciones generales ofrecidas por los proveedores elegidos para conocer el tipo de arquitectura generalmente usada en soluciones de telefonía IP. Luego de esto, se muestran las cuatro arquitecturas diseñadas para satisfacer las necesidades de comunicaciones de la empresa Quintec. En el quinto capítulo, con las cuatro arquitecturas ya diseñadas, se realiza una preevaluación económica considerando el tamaño de la inversión en condiciones iguales para los cuatro proveedores. Con esta información, se escoge las dos mejores alternativas y se realiza un análisis de ventajas y desventajas para la empresa. Finalmente, se escoge como mejor alternativa al proveedor Cisco Systems. 9

13 En el sexto capítulo se realiza la evaluación económica de la solución escogida, analizando tres escenarios de ingreso de la tecnología a la empresa, de manera de analizar el efecto económico que implica la inversión realizada. Se realizan análisis con herramientas de evaluación de proyectos. En el capítulo final se presentan las conclusiones y discusiones del presente trabajo. Se analiza la solución escogida y se comenta las ventajas que traería a la empresa la adopción de la tecnología de telefonía IP con la arquitectura diseñada. Se discuten los resultados logrados y se muestra el trabajo que sigue una vez que este proyecto llega a su fin. 10

14 2 Estado del Arte de la Telefonía IP En el presente capitulo se tratan temas que permiten adentrarse en el mundo de la telefonía IP. Se comienza por una introducción con los conceptos básicos asociados a dicha tecnología, para pasar por modos de funcionamiento y protocolos asociados a la telefonía IP para, finalmente, cubrir temas de arquitecturas generales de los sistemas de comunicaciones a través de redes convergentes. 2.1 VoIP v/s Telefonía IP Los dos conceptos mencionados en el subtitulo anterior suelen llevar a confusión a las personas que los usan sin mucha frecuencia. VoIP, sigla del inglés Voice Over IP, o voz sobre protocolo de Internet, es la tecnología que permite la transmisión de voz en tiempo real a través de una red IP en forma de paquetes de datos. Por su parte, telefonía IP es una aplicación inmediata de dicha tecnología, la cual permite que se puedan realizar todo tipo de llamadas telefónicas sobre redes IP o alguna otra red de paquetes. De esta forma, es posible transportar distintos tipos de servicios de comunicaciones como voz, fax o aplicaciones de mensajes de voz a través las redes IP, en lugar de ser transportados vía la red telefónica tradicional [2]. La voz sobre IP, al ser un mecanismo de adaptación de comunicaciones de voz a una red de datos, puede ser aplicada a cualquier requerimiento de comunicaciones, desde un simple sistema de citófonos al interior de una compañía, hasta los más complejos sistemas de multiconferencia [2]. Tiene la capacidad de cumplir con las misma funcionalidad de una red telefónica tradicional, permitiendo realizar llamados de voz, transmisión de fax y todos los servicios asociados que en la actualidad ofrecen las compañías de telefonía, pero con las ventajas de costos asociados al uso de las redes de datos. La telefonía IP es el concepto que representa la evolución en cuanto a comunicaciones de voz. Es un sistema completo, que incluye estándares, hardware y software, de manera de ser un reemplazo para los sistemas de 11

15 telefonía tradicional, mas que una adaptación de medio como lo es la voz sobre IP. Una de las mayores diferencias que se puede encontrar entre los sistemas de telefonía IP al compararlos con la telefonía tradicional es que esta última utiliza conmutación de circuitos, esto es, establece un canal físico único de comunicación entre dos puntos, el cual se mantiene durante toda la comunicación. La principal desventaja de la conmutación de circuitos es la gran cantidad de recursos necesarios en cuanto a ancho de banda se refiere. Mantener un circuito dedicado en forma permanente requiere recursos, para atender la comunicación entre dos puntos, que no pueden ser utilizados por otras comunicaciones mientras la llamada no cese. En el caso de la telefonía IP, se utiliza la conmutación de paquetes, en la cual la señal analógica de voz es codificada digitalmente, comprimida y encapsulada en paquetes para luego ser transmitida a través de la red de datos. Las redes IP permiten que cada paquete en forma independiente encuentre el mejor camino entre los dos puntos que se desea comunicar, por lo tanto, los recursos necesarios de la red para mantener la comunicación no son mantenidos en forma sostenida, por lo que se optimiza la transferencia de información y el sistema de telefonía puede atender una mayor cantidad de usuarios. El hecho de que los paquetes viajen por diferentes rutas produce que enfrenten caminos con retardos y características distintas, por lo que pueden llegar en desorden o haber pérdidas. Sin embargo, la telefonía IP en su calidad de arquitectura completa tiene un stack de protocolos que permitan ofrecer un servicio en que el usuario se encuentra satisfecho. La satisfacción del usuario radica en que la telefonía IP es un sistema que ofrece uso más eficiente del ancho de banda y del equipamiento, menores costos de transmisión, valor agregado por nuevos servicios, innovación de servicio, acceso a nuevos dispositivos de comunicaciones y nuevas estructuras de precios flexibles [6]. 12

16 2.2 Codificación de la Voz Los sistemas de telefonía IP utilizan las redes de datos para realizar la transmisión de voz. Por la naturaleza de esta señal (audio) es necesario realizar una codificación que permita que una etapa posterior la señal pueda ser separada en paquetes de datos para la transmisión por redes IP. La primera etapa de la codificación de la voz comienza con la digitalización de la señal analógica que proviene del transductor del auricular. Se realiza un muestreo de la señal de manera que la frecuencia de muestreo sea al menos el doble de la máxima frecuencia de la señal de audio, con la finalidad de obtener una señal perfectamente reproducible al momento de realizar la conversión inversa de digital a análogo. Cuando se tienen las muestras, es necesario realizar una cuantización, es decir, se realiza una escala con 8 divisiones, cada una a su vez contando con 16 pasos equidistantes. Estos pasos son iguales en cada división, pero distintos si se compara con los pasos de otras divisiones, pues se utiliza escalas más finas cercanas al origen con la finalidad de reducir las distorsiones que se producen en los tonos graves de la señal de audio. La asignación de nivel realizada con las muestras permite realizar una codificación utilizando un código de 8 bits, lo que se traduce en una señal PCM (Pulse Code Modulation). Dependiendo de las necesidades de comunicación, se realiza un paso final de compresión de la señal de manera de aprovechar de mejor manera el ancho de banda disponible en las redes de datos a utilizar. En el extremo receptor, el procedimiento para la recuperación de la información es análogo, es decir, se descomprime la señal en caso de que tenga compresión, se decodifican las muestras para obtener la señal en forma de amplitudes (PAM) y, finalmente, se realiza un filtrado para remover el ruido que pueda traer la señal. Todo el procedimiento anterior es realizado conforme a los antecedentes teóricos conocidos a través del Teorema de Nyquist o Teorema del Muestreo [6]. El tema de la cuantización de la señal digital no es menor, por lo que se han desarrollado diversas formas de realizar este procedimiento. El método más tradicional de realizar dicho procedimiento es la cuantización lineal, sin embargo este método presenta problemas con las señales de audio de pequeña amplitud, produciendo un menor valor de SNR (Signal to Noise Ratio) y, por lo tanto, una pobre calidad en este tipo de señales. Una forma de mejorar el SNR es utilizar cuantización logarítmica, pues actúa de diferente manera para 13

17 distintas amplitudes de señal. Se han desarrollado dos métodos particulares de utilizar la cuantización logarítmica, aunque en la práctica son aproximaciones lineales de una relación entrada/salida logarítmica. Estos son el ley-a y el ley- µ, aunque el primero es el más utilizado. Siempre los procesos de cuantización llevan asociado un error de cuantización, el cual corresponde a la diferencia entre el valor asignado a una muestra y el valor real que esta tiene en la señal análoga original. Este error es la fuente de distorsión en los sistemas de transmisión digital [6]. Como fue dicho anteriormente, el proceso que permite obtener un mejor uso del ancho de banda es el de compresión de la señal. Existen dos tipos utilizados en la telefonía IP: algoritmos de forma de onda y algoritmos fuente. Los algoritmos de forma de onda utilizan la onda original para tomar muestras y utilizar métodos diferenciales predictivos que reducen el ancho de banda, sin embargo impactan fuertemente la calidad de la voz, además de no aprovechar las ventajas de las características de la voz humana. Los algoritmos fuente, llamados frecuentemente vocoders, hacen uso de dichas características de manera de transformar un discurso análogo en un discurso digital, utilizando un esquema de compresión específico que es optimizado para codificar la voz humana. Estos algoritmos también permiten reducir el uso de ancho de banda, sin embargo lo más importante de ellos es la capacidad de imitar la voz humana, pues utilizan bases de datos llamadas codebooks, los cuales almacenan formas de onda predictivas de la voz humana. Estos algoritmos encuentran la voz humana, codifican la frase, decodifican la forma de onda mirando la frase codificada y la hacen calzar con la forma de onda almacenada en el codebook del receptor [6]. El más conocido de los algoritmos de forma de onda es el ADPCM (Adaptive differential pulse code modulation) el cual, como otros algoritmos de forma de onda, codifica la señal de voz análoga en una señal digital para predecir en forma adaptiva la codificación futura mirando el pasado inmediato de la señal. Para realizar lo anterior, el algoritmo ADPCM toma muestras con una tasa de 8000 muestras/seg, convirtiéndolas a una señal PCM. A continuación se calcula el valor obtenido en predicción de la siguiente muestra, basado en el pasado inmediato, y se codifica la diferencia. El proceso anterior genera palabras de 4 bits, por lo tanto, estableciendo 16 posibles patrones de bits [6]. En el caso de los algoritmos fuente, los más conocidos y utilizados son el CELP (Code Exited Linear Prediction) y el LDCELP (Low Delay CELP). 14

18 El funcionamiento de CELP es el siguiente: La entrada al codificador es convertida de una muestra de 8 bits a una de 16 bits ocupando PCM lineal. Un codebook utiliza realimentación para aprender y predecir la forma de onda en forma continua. El codificador es exitado con un generador de ruido blanco. El resultado matemático es enviado al decodificador final para síntesis y generación de la forma de onda. El codificador LDCELP es una variación del CELP, basado en una mejora anterior denominada CS-ACELP (Conjugate Structure Algebraic Code Excited Linear Prediction). Las mejoras introducidas por este último al CELP son: Codifica frames de 80 bytes, lo cual toma aproximadamente 10 ms en ser leído y procesado. Agrega un mecanismo de codificación conocido como look ahead de 5 ms, el cual en forma continua analiza, aprende y predice la nueva forma de onda. Agrega reducción de ruido y procesamiento de suavizado de onda. Las mejoras agregadas por el LDCELP al anterior son: Utiliza un codebook más pequeño y opera a 16 kbps para reducir el retardo. La palabra codificada es producida a partir de 5 muestras de voz humana muestreadas a 8 khz. 15

19 La ITU (International Telecommunication Union) establece los anchos de banda necesarios para la transmisión de voz utilizando los algoritmos de compresión listados anteriormente. En la siguiente tabla se muestra dichas recomendaciones:. Estándar Tasa de Bits (kbps) G.711, PCM 64 G.726, ADPCM 16, 24, 32 G.728, LDCELP 16 G.729, CS-ACELP 8 G.729A, CS-ACELP 8 Tabla 2.1: Anchos de banda para codificadores de voz 16

20 2.3 Transferencia de Voz en Paquetes IP Como ya ha sido descrito en la sección anterior, la voz necesita ser digitalizada y comprimida para poder generar un mejor aprovechamiento del ancho de banda. Sin embargo, la telefonía IP es un sistema caracterizado por no ser orientado a la conexión y utilizar sistemas de paquetes de información de acuerdo al modelo OSI de telecomunicaciones. Por lo anterior, para transportar voz mediante redes IP, es necesario transportar los bits generados en la codificación de la voz mediante la paquetización de la información. Para realizar la tarea anterior, se utiliza una serie de herramientas y protocolos definidos por los organismos internacionales de estandarización de las telecomunicaciones. A pesar de la naturaleza de las organizaciones anteriores, en la actualidad no se ha podido establecer protocolos únicos que definan el funcionamiento de la telefonía IP, más bien, cada fabricante de dicha tecnología adapta los estándares existentes definiendo de esta manera sus protocolos propietarios, por lo que no existe compatibilidad absoluta entre tecnologías de distintos proveedores. Las mayores diferencias en cuanto a productos de telefonía IP se refiere a los algoritmos e implementaciones utilizados para soportar asignación dinámica de ancho de banda, recuperación de paquetes perdidos, cancelación adaptiva del eco y procesamiento de la voz de manera de entregar la mejor calidad posible [2]. Es importante conocer la naturaleza de los protocolos utilizados en telefonía IP en el sentido de la capa del modelo OSI donde operan y la interacción que tienen con las otras capas. Cuando se utilizan paquetes para el transporte de voz, se crean encabezados adicionales con la información necesaria para diferenciar dichos paquetes de los de datos. Los encabezados adicionales creados pueden ser de tamaño significativo, por lo que un buen entendimiento de los protocolos asociados permite a los operadores de telefonía IP la manera de limitar el exceso de información innecesaria y, por lo tanto, transportar voz de manera eficiente por las redes de datos. Los protocolos más importantes utilizados en los sistemas de telefonía IP son los siguientes [6]: H.323: es un protocolo estándar diseñado por la ITU para las conferencias interactivas. Fue diseñado originalmente para 17

21 comunicaciones multimedia en un ambiente sin conexión, como por ejemplo las redes LAN. El protocolo H.323 es un conjunto de estándares que definen todos los aspectos de la transmisión sincronizada de voz, video y datos. Además de lo anterior, el protocolo H.323 define la señalización de llamados entre usuarios finales. MGCP (Media Gateway Control Protocol): es un estándar emergente para el control de los gateways que se conectan a la PSTN (Public Switched Telephone Network). MGCP define un protocolo para controlar los gateways de VoIP que se encuentran conectados a dispositivos externos de control de llamados, generalmente denominados agentes de llamados. Provee la capacidad de señalización para dispositivos de borde más económicos, como los gateways, los cuales no contienen un stack de protocolos dedicados para la completa capacidad de señalización de voz. En esencia, cada vez que un evento ocurre en el puerto de un gateway, dicho puerto reporta ese evento al agente de llamados. Este agente luego señaliza el dispositivo para proveer algún servicio. SIP (Session Iniciation Protocol): un protocolo detallado que especifica los comandos y respuestas para establecer y terminar llamados. SIP también detalla otras características como seguridad, proxy (puente) y servicios de transporte TCP o UDP. SIP y sus protocolos asociados proveen anuncios e información sobre las sesiones multicast de usuarios en una red. Define además la señalización entre dispositivos de usuarios finales. SIP es un protocolo basado en texto que toma prestados muchos elementos de HTTP (Hypertext Transfer Protocol), usando el mismo tipo de requerimientos y respuestas, además de tener similares códigos de encabezados y de respuestas. También adopta de HTTP una forma modificada de direccionamiento de direcciones como URL (Uniform Resource Locator). RTP (Real-Time Transport Protocol): es un estándar de la IETF (Internet Engineering Task Force) para la transferencia de flujos de datos multimedia. RTP transporta la información utilizable (payload) de los paquetes de datos por medio de la red IP. Provee además encabezados de tiempo y números de secuencia para el procesamiento ordenado de los paquetes de voz. 18

22 RTCP (Real-Time Control Protocol): provee la información de control necesaria para el flujo de datos mediante protocolo RTP. Cada flujo RTP tiene asociado un flujo RTCP que reporta estadísticas de un llamado. Uno de los usos importantes de RTCP es el establecimiento de reportes de QoS (Quality of Service). A nivel de las capas del modelo OSI, los protocolos mencionados anteriormente, así como los codecs utilizados para la codificación y compresión de la voz se pueden relacionar de acuerdo a la siguiente figura: Figura 2.1: Modelo OSI y su correspondencia con Telefonía IP [6] En la figura 2.1 se puede apreciar que en la capa de sesión se ubican la mayoría de los protocolos mencionados asociados a la telefonía IP. En este caso se trata de protocolos cuya misión es establecer la sesión virtual entre usuarios finales, al igual que en las comunicaciones de datos. El avance hacia las capas superiores sigue el camino análogo establecido por las comunicaciones de datos, es decir, el desciframiento de la información transmitida por medio de paquetes. En la capa de presentación los codecs transforman la voz comprimida en voz PCM para, finalmente, ser transformado en una señal analógica en la capa de aplicación, mediante los terminales y elementos físicos asociados a la telefonía IP (softphones, servidores de llamados y teléfonos IP). 19

23 La transferencia exitosa de tráfico de voz en una red IP no orientada a la conexión requiere mejoras al conjunto de protocolos de señalización. De algún modo, el usuario requiere que la red no orientada a la conexión se parezca más a una red orientada a la conexión. Las aplicaciones actuales que manejan las llamadas de telefonía IP proveen la interfaz a los usuarios para generar la señal de voz y transportarla por la red, previo proceso de conversión y compresión. Cuando se utilizan gateways, el teléfono estándar se transforma en la interfaz siendo la voz humana la aplicación. Los codecs definen como la voz es comprimida, de manera que el tipo de compresión es negociado de acuerdo a los recursos que tiene la red. A nivel del transporte de la información de voz, se utiliza el protocolo RTP al interior del UDP. Esto se realiza pues los paquetes de voz pueden llegar al usuario en desorden y sin sincronización y UDP no es capaz de proveer servicios de manejo de calidad de servicio como, por ejemplo, los encabezados de números y tiempos mencionados anteriormente los cuales son utilizados para la secuenciación de los paquetes. Las mayores diferencias en telefonía IP versus el tráfico de datos son los métodos de señalización utilizados. Los protocolos H.323 y SIP proveen la señalización de llamadas entre usuarios finales, mientras que el MGCP utiliza un agente de llamados para controlar la señalización entre los puntos de unión de redes, como los gateways. El equipo de control de llamados participa solamente en el establecimiento de las llamadas, liberando recursos una vez que se ha unido a los usuarios finales mediante todos los protocolos mencionados. Producto del uso de todos los protocolos anteriores, el encabezado de los paquetes puede crecer considerablemente, provocando ineficiencias en la comunicación por medio de redes IP. Para ello, se utiliza el protocolo CRTP (Compressed RTP) para reducir el tamaño del encabezado de los paquetes de voz [6]. 20

24 El paquete formado sin la compresión del encabezado tiene la estructura mostrada en la figura 2.2: Figura 2.2: Paquete de VoIP antes de la compresión del encabezado [6] Cuanto se utiliza el protocolo CRTP para la compresión del encabezado, la estructura del paquete pasa a ser la mostrada en la siguiente figura: Figura 2.3: Paquete de VoIP después de la compresión del encabezado [6] 21

25 Al utilizar CRTP, se comprime el encabezado IP/UDP/RTP de 40 bytes a 2 bytes, o de 40 bytes a 4 bytes en el caso de utilizar el campo checksum en el transporte UDP. La compresión RTP es especialmente útil cuando el tamaño de la carga útil del paquete es pequeña, por ejemplo, cuando se transmite audio comprimido esta varía entre 20 y 50 bytes. La compresión CRTP actúa con la premisa de que la mayoría de los campos en el encabezado IP/UDP/RTP no cambian o el cambio es predecible. Para estos últimos campos, el proceso que realiza CRTP es el mostrado en la siguiente tabla: Etapa El cambio es predecible El cambio predicho es seguido El receptor predice el cambio constante Ocurre un cambio inesperado Qué ocurre? El transmisor realiza un seguimiento del cambio El transmisor envía una muestra del encabezado El receptor substituye el encabezado original almacenado y calcula los campos cambiados El transmisor envía el encabezado completo sin compresión Tabla 2.2: Procedimiento de compresión de encabezado de CRTP La compresión RTP es utilizada en enlaces de banda angosta, enlaces lentos (menos de 2 Mbps) o cuando se necesita conservar el ancho de banda de un enlace WAN. 22

26 2.4 Comparación de Protocolos de Señalización Los protocolos de señalización de telefonía IP presentan ventajas y desventajas particulares que incentivan o desincentivan su utilización en determinados ambientes de red. En la presente sección se realiza un análisis comparativo entre los protocolos H.323, SIP y MGCP, sus modelos de control de llamados y sus formas de señalización. En un modelo genérico de telefonía IP, los componentes de señalización y control de llamadas son identificados como componentes comunes de control y terminación. Los componentes comunes de control proveen un conjunto de servicios adicionales: administración de llamados y registro, estado de las llamadas, manejo de direccionamiento y control de admisión. La realización de todas las tareas anteriores es bastante común en los tres protocolos estudiados y es realizado por dispositivos establecidos en la definición de dichos estándares. En el caso de H.323, los dispositivos asociados a dicho servicios son el gatekeeper, el gateway y el terminal; en SIP los dispositivos correspondientes son servidor proxy, gateway y cliente; en MGCP análogamente se tiene el call agent y el gateway [6]. Lo anterior muestra que a nivel de arquitectura de señalización los tres protocolos estudiados son bastante similares. En los tres protocolos el dispositivo más global es, respectivamente, el gatekeeper, servidor proxy y call agent. La misión de este dispositivo es proveer la información necesaria al sistema de la localización de los gateways, de manera que las llamadas entre redes lejanas no requiera muchas consultas al momento de elegir la señalización hacia determinada red. Los gateways entregan el punto de salida a las redes locales, cumpliendo funciones similares a los routers en el caso de la comunicación de datos, pero proporcionando además el cambio de medio necesario para compatibilizar el mundo de la telefonía tradicional y el mundo de la telefonía IP. Finalmente, los protocolos H.323 y SIP definen el punto final de conexión, el cual está dado por el terminal y el cliente, respectivamente. 23

27 En cuanto a las características de cada protocolo, se puede apreciar una comparación en la siguiente tabla: H.323 SIP MGCP Estandarización ITU-T IETF IETF Arquitectura Distribuida Distribuida Centralizada Transporte de señalización TCP, UDP TCP, UDP UDP Multimedia Si Si Si Codificación de control de llamadas Notación Abstracta Texto Texto Servicios suplementarios Provisto por los terminales o por control de llamados Provisto por los terminales o por control de llamados Solamente provisto por el control de llamados Tabla 2.3: Características comparativas de protocolos de señalización A continuación se presenta el detalle de la comparación anterior [6]: Estandarización A pesar de que la organización que definió los protocolos de señalización no debiera ser un factor importante al momento de comparar los estándares anteriores, el hecho de que la IETF y la ITU-T trabajen bajo diferentes condiciones tiene un impacto en su resultado y en la velocidad de su trabajo. En general se ha apreciado durante la existencia de la ITU-T que es una organización que se ha caracterizado por los atrasos en la publicación de sus normas. Sin embargo, dichos atrasos son el fruto de rigurosos procedimientos que se transforman en recomendaciones maduras, que requieren un gran grado de consenso y que, por lo anterior, son mayormente aceptadas a nivel internacional. La IETF se caracteríza dar respuesta rápida a sus demandas, aunque sus soluciones pueden ser menos maduras que las recomendaciones publicadas por la ITU-T. 24

28 2.4.2 Arquitectura (Centralizada versus Distribuida) Afecta principalmente al tipo de arquitectura de telefonía IP que se desee implementar. En el caso de una empresa con muchas sucursales pequeñas puede ser recomendable, por ejemplo, una arquitectura centralizada (un procesador de llamados único atiende a todas las sucursales), mientras que en una empresa con pocas sucursales, pero de mayor tamaño, sería más conveniente la implantación de una arquitectura distribuida (un procesador de llamados en cada sucursal) Transporte de Señalización Las transmisiones que utilizan el protocolo TCP presentan mejores condiciones de control, sin embargo son más lentas, pues requieren una mayor cantidad de transacciones. El protocolo UDP proporciona mayor velocidad de transmisión, pero sin asegurar control de envío. La elección de qué protocolo de transporte utilizar puede ser importante, por ejemplo, en el establecimiento de una llamada Multimedia Se refiere a la capacidad del protocolo de transportar distintos tipos de información, como audio, video o datos Codificación del Control de Llamados En general, se puede apreciar que los sistemas de codificación basados en texto son más fáciles de codificar, decodificar y menos conflictivas. Las codificaciones abstractas se caracterizan por ser más compactas y eficientes. 2.5 Ventajas En general, se puede apreciar que la utilización de alguno de los protocolos de señalización depende fundamentalmente del tipo de arquitectura a 25

29 implementar. A continuación se presenta las principales ventajas de la utilización de cada protocolo asociado a la telefonía IP: Ventajas H.323 Es el protocolo que por largo tiempo ha provisto de señalización y control de llamados a los sistemas de VoIP, por lo tanto, es un estándar maduro y estable. Con un diseño apropiado, el protocolo H.323 es escalable (se acomoda a la implementación de grandes redes distribuidas) y adaptable (permite la incorporación de nuevas características) [6] Ventajas SIP SIP es un protocolo multimedia que utiliza la arquitectura y los mensajes que se encuentran en las más populares aplicaciones de Internet. Al utilizar una arquitectura distribuida, SIP toma las ventajas del modelo de Internet, para redes de telefonía IP y sus aplicaciones. SIP es un protocolo que permite construir redes de gran escala que sean escalables y redundantes. Aunque la IETF está realizando esfuerzos por compatibilizar SIP con los sistemas tradicionales de telefonía, dicho protocolo está pensado para soportar los modelos de comunicación de próxima generación que utilizan Internet y sus aplicaciones. Además de lo anterior, la ausencia de procesamiento centralizado hace a SIP más adaptable para las organizaciones dinámicas y en constante crecimiento [6] Ventajas MGCP MGCP describe una arquitectura centralizada, muy similar a la red pública de servicio telefónico (PSTN), por lo tanto permite construir redes escalables y redundantes que cuenten con dicha arquitectura, como por ejemplo, los proveedores de servicio. Por su naturaleza, facilita la interconexión con sistemas tradicionales de telefonía [2]. Como se ve en la descripción anterior, existen ventajas asociadas a cada uno de los protocolos más utilizados en telefonía IP las cuales hacen que cada uno sea más adecuado para determinados usos o arquitecturas. A pesar de lo anterior, existen factores que hacen que el protocolo SIP sea el destinado a marcar el camino futuro de las comunicaciones de telefonía IP. Lo anterior 26

30 está fundamentado en la gran capacidad que posee SIP para usar las ventajas de la Internet y aplicarlas a los sistemas de telefonía, como ha sido anteriormente descrito. Por lo anterior, se presenta a continuación un resumen del funcionamiento del protocolo SIP. 2.6 SIP Session Initiation Protocol [5] El protocolo de inicio de sesión, cómo su nombre lo indica, es un protocolo de control de señalización, usado en la capa de aplicación del modelo OSI, con la finalidad de establecer, mantener y terminar sesiones multimedia. Dichas sesiones multimedia incluyen telefonía por Internet, conferencias, telefonía sobre redes IP y otras aplicaciones similares que involucran audio, video y datos. Las funcionalidades provistas por SIP se basan en los dos componentes principales de un sistema SIP: los usuarios y los servidores de red, quienes proveen las funcionalidades básicas y las características claves del protocolo. Los participantes de una llamada SIP, quien llama y quien recibe la llamada, son identificados con direcciones SIP, pues ellos necesitan encontrar a los servidores y usuarios. Entre todos los participantes se generan las llamadas transacciones SIP. A continuación se describe en forma detallada cada participante del sistema SIP Agentes Usuarios Los agentes usuarios son aplicaciones de sistema final de un cliente que contiene un agente del usuario cliente (UAC) y un agente del usuario servidor (UAS), conocidos de otra manera más simple como cliente y servidor, respectivamente. Clientes: inician solicitudes SIP y actúan como el agente llamante del usuario. Servidor: recibe solicitudes SIP y retorna respuestas a nombre del usuario; actúa como el agente llamado del usuario. 27

31 2.6.2 Servidores de Red Existen dos tipos de servidores de red: servidores proxy y servidores de redirección. Servidor Proxy: actúa en nombre de otros clientes y contiene en forma simultánea funciones de servidor y cliente. Este servidor interpreta y puede reescribir encabezados de solicitudes antes de pasarlos a otros servidores. Al reescribir los encabezados, el proxy pasa a ser el iniciador del pedido, asegurando que la respuesta siga el mismo camino de vuelta hacia él y no hacia el cliente. Servidor de Redirección: acepta solicitudes SIP y envía una respuesta redirigida de vuelta al cliente la cual contiene la dirección del próximo servidor. Estos servidores no aceptan llamadas, así como tampoco procesan ni remiten solicitudes SIP [5] Direccionamiento Las direcciones SIP, también llamadas SIP URLs (Universal Resource Locators) existen en la forma usuario@host, en forma similar a las direcciones de . La porción de la dirección asociada al usuario puede ser un nombre o un número telefónico, mientras que la porción de host puede ser el nombre del dominio de la red o una dirección IP. Es posible realizar la identificación de la URL SIP de un usuario por su dirección de correo. A continuación se muestra un ejemplo de direccionamiento, con dos opciones de dirección SIP: sip: admin@gorrion.die.uchile.cl sip: @

32 2.6.4 Localizando un Servidor Un cliente puede enviar un pedido SIP ya sea en forma directa, a un servidor proxy configurado de manera local, o a la dirección IP y puerto asociado a la correspondiente URL SIP. Enviar un pedido SIP directamente es relativamente simple, pues la aplicación de sistema final conoce al servidor proxy. En cambio, enviar un pedido SIP utilizando el sistema de direcciones URL es más complicado por las siguientes razones: El cliente debe determinar la dirección IP y el número de puerto del servidor para el cual el pedido está destinado. Si el número de puerto no esta incluido en la URL SIP pedida, el puerto por defecto es el Si el tipo de protocolo no está incluido en la URL SIP pedida, el cliente debe tratar de conectarse por primera vez utilizando los protocolos UDP (User Datagram Protocol) y TCP (Transmisión Control Protocol). El cliente accede al servidor de DNS (Domain Name System) para conocer la dirección IP del host. Si no encuentra registro de direcciones, el cliente no es capaz de localizar al servidor y no puede continuar con el pedido Transacciones SIP Una vez que el direccionamiento es resuelto, el cliente envía uno o más solicitudes SIP y recibe una o más respuestas desde un servidor específico. Todos las solicitudes y respuestas asociados con esta actividad son considerados parte de una transacción SIP. Por simplicidad y consistencia, los campos de encabezados de todos los mensajes de solicitudes coinciden con los campos de encabezados en todos los mensajes de respuesta. 29

33 Es posible transmitir transacciones SIP tanto con el protocolo UDP como con TCP. En el caso de TCP, se pueden transportar todas las solicitudes y respuestas relacionadas con una única transacción sobre la misma conexión TCP. En forma adicional, es posible transportar transacciones SIP separadas entre dos entidades sobre la misma conexión TCP. Si se usa UDP, la respuesta es enviada a la dirección identificada en el encabezado de la solicitud Localizando a un Usuario En los sistemas de telefonía IP, asociado a su beneficio de la movilidad, el usuario que es llamado se mueve en forma regular desde uno a muchos otros sistemas finales a medida que pasa el tiempo. El movimiento de los usuarios ocurre desde la red corporativa (LAN) a la oficina en la casa conectada a través del acceso de banda ancha a Internet. Por lo anterior, para ofrecer servicios de localización, SIP necesita poder establecer la movilidad y la flexibilidad de los sistemas IP. La localización de los sistemas finales debe ser registrada con el servidor SIP o con otros servidores de localización fuera del alcance de SIP. En el último caso, el servidor SIP almacena una lista de las ubicaciones que se encuentran guardadas en el servidor externo de localización. La acción y el resultado de localizar a un usuario depende del tipo de servidor SIP utilizado. Un servidor SIP de redirección simplemente retorna la lista completa de ubicaciones y habilita al cliente para localizar al usuario directamente. Un servidor proxy puede intentar las direcciones en paralelo hasta que la llamada sea exitosa Mensajes SIP Existen, básicamente, dos tipos de mensajes SIP: solicitudes iniciadas por clientes, y respuestas retornadas por los servidores. Cada mensaje contiene un encabezado que describe los detalles de la comunicación. SIP es un protocolo basado en texto con sintaxis de mensajes y campos de encabezados idénticos al HTTP (Hypertext Transfer Protocol). Los mensajes SIP son enviados a 30

34 través de TCP o UDP, teniendo la posibilidad de ser enviados de manera múltiple mediante una conexión TCP única o un datagrama UDP único. Los mensajes de solicitud y de respuesta se caracterizan por poseer un código de estado de tres dígitos y un nombre o explicación asociada, definiéndose en el estándar seis tipos de mensajes de solicitud y 6 tipos de mensajes de respuesta Ejemplo de Funcionamiento de un Servidor Proxy La siguiente figura muestra el funcionamiento en un caso particular de un servidor proxy: Servidor Proxy: Flujo de una Llamada Figura 2.4: Ejemplo de funcionamiento de servidor proxy SIP [5] Funcionamiento: 1. El servidor proxy acepta la solicitud de invitación (INVITE) del cliente. 2. El servidor proxy identifica la ubicación usando las direcciones proporcionadas y los servicios de localización. 31