PROBLEMA DE INGENIERÍA CENTRAL TELEFÓNICA IP EN MEMOR IA COMPACT FLASH

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1 UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL FACULTAD REGIONAL SAN NICOLAS INGENIERIA EN ELECTRONICA PROBLEMA DE INGENIERÍA TECNICAS DIGITALES III CENTRAL TELEFÓNICA IP EN MEMOR IA COMPACT FLASH Integrantes: Docentes: - Juan Carlos Priotti - Martín Roberti - Profesor: Felipe Poblete - Auxiliar: Mariano González AÑO 2008

2 Técnicas Digitales III Problema de ingeniería INDICE OBJETIVOS DEL TRABAJO 3 MATERIAS INTEGRADAS 3 POSIBLES APLICACIONES 3 BIBLIOGRAFÍA 3 DESARROLLO 5 INTRODUCCIÓN 5 Voz sobre IP 5 ASTERISK PBX 6 CONCEPTOS DE CÁLCULO DE TRÁFICO 9 DIMENSIONAMIENTO DE HARDWARE Y ACCESO A INTERNET 12 TEORÍA DE FUNCIONAMIENTO 13 INSTALACIÓN DEL SISTEMA 14 CONSIDERACIONES SOBRE LOS COSTOS DE NUESTRA PBX 27 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS 28 CONCLUSIONES 28 ANEXOS FOTOS DE PANTALLAS PROTOCOLO SIP 32 Una breve historia del protocolo SIP 32 Funciones del protocolo SIP 32 Componentes del protocolo SIP 33 Clientes: 33 Servidores: 33 Comandos del procotolo SIP 34 Un ejemplo típico de una sesión SIP 34 Formato de Solicitudes SIP 36 Formato de Respuesta de mensaje SIP 37 Tipos de respuesta SIP 38 Relación entre llamada, diálogo, transacción y mensajes GUÍA DE INSTALACIÓN DE FreeBSD LENGUAJE XML 56 Estructura de un documento XML 56 Modelos de contenido 59 XML Schemas (XSD) 60 Lenguaje de enlace XML (XLINK) ADAPTADOR ANALÓGICO SISCO LINKSYS PAP ADVANTECH PCM LISTADOS DE PROGRAMAS 63 2

3 OBJETIVOS DEL TRABAJO El objetivo del proyecto es crear una central telefónica basada en telefonía IP utilizando hardware mínimo y de bajo coste, en nuestro caso hacemos uso de una placa madre industrial sin partes móviles y de bajo consumo marca Advantech modelo PCM En lo que respecta a Software, se utilizó el sistema operativo Open Source FreeBSD en su versión 7.1, los lenguajes de programación PHP, XML y HTML, la plataforma Asterisk que es ni más ni menos que el núcleo de la central telefónica IP, el servidor WEB Lighttpd, siendo todas estas herramientas open source. MATERIAS INTEGRADAS Informática II: Programación estructurada y modular. Sistemas de Comunicaciones II: Telefonía, VoIP, tráfico, redes y protocolos. Técnicas Digitales III: Programación en ensamblador, dispositivos de almacenamiento, motherboards. POSIBLES APLICACIONES Central telefónica IP para empresas PYMES. En el caso de grandes empresas se debería ampliar las capacidades de Hardware. BIBLIOGRAFÍA Sitios de Internet. Manual de FreeBSD - Lighttpd web server - Asterisk - PHP - HTML XML - Leyendo XML desde PHP - SimpleXML - Compact Flash - ATA (adaptador telefónico analógico) - ut&cid= &pagename=linksys%2fcommon%2fvisitorwrapper SBC (Single Board Computer) PCM Libros, etc. The complete FreeBSD - Absolute FreeBSD, 2nd Edition -The Complete Guide to FreeBSD by Michael W. Lucas November 2007, 744 pp. ISBN ISBN

4 Asterisk: The Future of Telephony, Second Edition Join the Open Source PBX Revolution By Jim Van Meggelen, Jared Smith, Leif Madsen August 2007 Pages: 602 ISBN 10: ISBN 13:

5 DESARROLLO INTRODUCCIÓN El Avance constante en los desarrollos de computadoras han hecho que en la actualidad contemos con dispositivos de varios GHz de velocidad en tamaños de menos de 3,5 pulgadas sin necesidad de contar con soportes mecánicos voluminosos para refrigerarse ni dispositivos de almacenamiento móviles, por lo que es común encontrar Motherboards de 3,5 pulgadas con soporte de almacenamiento en memoria CF Compact Flash, placas ethernet,, conectores USB, puertos series, salida a monitor y muchos otros dispositivos de I/O. Estos avances junto al continuo desarrollo de software open source nos permiten desarrollar dispositivos de alta capacidad de cómputo, altas prestaciones y gran estabilidad a un costo accesible. En nuestro caso usaremos estas ventajas para desarrollar una central telefónica IP que corre bajo el sistema operativo Unix Open Source FreeBSD todo embebido en una memoria Compact Flash contando además con una interface Web de administración. Voz sobre IP Voz sobre Protocolo de Internet, también llamado Voz sobre IP, VoIP (por sus siglas en inglés), es un grupo de recursos que hacen posible que la señal de voz viaje a través de Internet empleando un protocolo IP (Internet Protocol). Esto significa que se envía la señal de voz en forma digital en paquetes en lugar de enviarla (en forma digital o analógica) a través de circuitos utilizables sólo para telefonía como una compañía telefónica convencional o PSTN (Public Switched Telephone Network o Red Telefónica Pública Conmutada). Los Protocolos que son usados para llevar las señales de voz sobre la red IP son comúnmente referidos como protocolos de Voz sobre IP o protocolos IP, y entre ellos podemos mencionar al protocolo SIP, H323, MGCP entre los más usados. El tráfico de Voz sobre IP puede circular por cualquier red IP, incluyendo aquellas conectadas a Internet, como por ejemplo redes de área local (LAN). Es muy importante diferenciar entre Voz sobre IP (VoIP) y Telefonía sobre IP. VoIP es el conjunto de normas, dispositivos, protocolos, en definitiva la tecnología que permite la transmisión de la voz sobre el protocolo IP. Telefonía sobre IP es el conjunto de nuevas funcionalidades de la telefonía, es decir, en lo que se convierte la telefonía tradicional debido a los servicios que finalmente se pueden llegar a ofrecer gracias a poder portar la voz sobre el protocolo IP en redes de datos. Volvendo a los protocolos usados en Voz sobre IP, el protocolo SIP o Session Initiation Protocol es el más usado en los últimos tiempos y ya es un estándar para comunicaciones en telefonía por IP. Este protocolo fue desarrollado por por el IETF MMUSIC Working Group con la intención de ser el estándar para la iniciación, modificación y finalización de sesiones interactivas de usuario donde intervienen elementos multimedia como el video, voz, mensajería instantánea, juegos online y realidad virtual. 5

6 La sintaxis de sus operaciones se asemeja a las de HTTP y SMTP, los protocolos utilizados en los servicios de páginas Web y de distribución de s respectivamente. Esta similitud es natural ya que SIP fue diseñado para que la telefonía se vuelva un servicio más en la Internet. En noviembre del año 2000, SIP fue aceptado como el protocolo de señalización de 3GPP y elemento permanente de la arquitectura IMS (IP Multimedia Subsystem) Para una introducción sobre el protocolo SIP ver el punto 1 del anexo. ASTERISK PBX Ya hemos visto que el protocolo SIP es el más usado para comunicaciones en telefonía IP, pero hasta ahora no sabemos cómo vamos a poder usar ese protocolo de comunicación para llevar a cabo nuestro proyecto. Podríamos decidir crear nuestro propio stack de SIP, pero eso sería una tarea que llevaría mucho tiempo y necesitaríamos muchas horas hombre en programación, pruebas y correcciones de errores, por lo que vemos que lo más acertado en el caso de desarrollos como estos es usar software ya existente, que haya sido bien probado, que esté actualmente en producción y que las licencias del mismo nos permitan hacer uso de éste y poder desarrollar y/o comercializar un producto basado en este software. Todo lo anterior es posible gracias a la existencia de las comunidades Open Source, que desarrollan y distribuyen software de gran calidad, con código fuente incluido y bajo licencias muy abiertas que dan libertad a nuestros desarrollos. Entre los programas que incluyen stack de sip y nos sirven como base para crear productos propios podemos citar: Asterisk SER OpenSER Yate FreePBX Nosotros optamos por Asterisk, ya que es de por sí una PBX IP muy completa con muchos años de desarrollo, estabilidad y una gran comunidad de desarrolladores y empresas que usan esta plataforma, lo que hace que ante cualquier duda sobre su configuración y solución de problemas tengamos la posibilidad de encontrar la solución de forma muy simple. Asterisk posee además de soporte SIP, soporte para otros protocolos de comunicación como ser H.323, Skinny (Cisco), IAX (Inter Asterisk Exchange), jabber, MGCP (Media Gateway Control Protocol), Soporte para placas de telefonía estándart (ZAP), transcodificación para llamadas usando diferentes códigos (G.711u, G.711a, G.729, Speex, ILBC, GSM, etc). Tampoco podemos dejar de lado la extensa lista de servicios PBX que nos ofrece como ser: creación de IVR (Interactive Voice Response), Grabación de llamadas, creación dial plans, voic y voice2 , call parking, transferencia de llamadas, reenvío de llamadas y muchos otros servicios más que interesantes que quedan sólo limitados a la imaginación y conocimiento de las opciones de configuración de esta PBX IP. En lo referente a la configuración de Asterisk, nosotros nos enfocaremos en solamente dos archivos de configuración; extensions.conf y sip.con. Extensions.conf es el archivo que nos dice qué hacer cuando llega una llamada a nuestra PBX, o qué hacer en caso de querer hacer una llamada con algún teléfono conectado a nuestra central telefónica. Un ejemplo de extensions.conf es el siguiente: 6

7 [general] static=yes writeprotect=no [sip_users] exten => _2XX,1,Dial(SIP/${EXTEN,10) exten => exten => _2XX,3,Hangup() exten => exten => _2XX,103,Hangup exten => 115,1,Playback(vm-extension) exten => 115,2,SayDigits(${CALLERID(num)) exten => 115,3,Hangup() exten => 300,1,Answer() exten => 300,2,Echo() exten => 300,3,Hangup() exten => 999,1,Voic Main(${CALLERID(num)) exten => 999,2,Hangup() exten => exten => _00X.,2,Hangup() exten => _X!,1,Playback(invalid) exten => _X!,2,Hangup() Donde tenemos tenemos un contexto general para configuraciones que afectan a todos los demás contextos y un contecto sip_users, que en este caso lo usamos para generar la lógica de nuestro Dial Plan. Como vemos, para cualquier llamada que empiece con 2 y tenga 3 dígitos (_2XX) la llamada va a ser dirigida a un usuario SIP con el mismo número marcado. En cado que la llamada falle por usuario desconectado o busy se conectará automáticamente al voic del usuario. Si llamamos al 115, lo que escucharemos será la PBX que nos repetirá el número de nuestro internos, cosa que usamos para saber si tenemos algún problema con el teléfono IP. También tenemos una funcion Echo() cuando llamamos a la extensión 300, que lo que hace es repetir lo que digamos con un cierto retardo (eco), de esta manera sabemos si la comunicación es bidireccional. Llamando al 999 podemos acceder el menú del voic , que nos pedirá el password de nuestra cuenta (crada por la interface web) y desde ahí podremos oir los mensajes almacenados que hayamos recibido. Para las llamadas que empiecen con 00 la PBX direccionará la llamada al proveedor de servicios de telefonía que tenemos configurado en nuestra plataforma. Por último, para cualquier número que sea marcado y que no haya habido coincidencia (_X!) la pbx reproducirá un mensaje de audio diciendo que el número es inválido. Sip.conf es el archivo que define la configuración del soporte SIP y es donde tenemos las cuentas de usuarios SIP creadas en el sistema. Un ejemplo de archivo sip.conf puede ser el siguiente: [general] context=default bindaddr=

8 srvlookup=yes disallow=all allow=alaw allow=ulaw allow=gsm [100] username=100 secret=100 callerid=100 type=friend host=dynamic context=sip_users dtmfmode=rfc2833 insecure=port canreinvite=yes nat=yes [200] username=200 secret=200 callerid=200 type=friend host=dynamic context=sip_users dtmfmode=rfc2833 insecure=port canreinvite=yes nat=yes En esta configuración vemos que en la parte [general] definimos el compartamiento del protocolo SIP a nivel servidor, donde decimos que el contexto por defecto es llamado default, el protocolo SIP va a ser levantado en todas las IP's disponibles en el sistema ( ), se va a poder usar DNS SRV y habilitamos sólo los codecs G.711a, G.711u. Y GSM. En la segunda parte del archivo de configuración definimos los usuarios o terminadores que reconocemos para poder conectarnos. Los usuarios son teléfonos IP que se registrarán en nuestra plataforma, mientras que los terminadores son servicios provistos por empresas que nos dan la posibilidad de conectarnos a telefonía pública y hacer llamadas a cualquier lugar del mundo a precios extremadamente bajos ya que la larga distancia se trafica por Internet y/o poder asignar a nuestra cental telefónica un número DID (Direct Inward Dialing) que no es otra cosa que tener un número de telefonía pública asignado a nuestra central telefónica, sin la necesidad de contratar un servicios con nuestro proveedor local de telefonía, esto último nos permite poseer un número de teléfono que puede ser numeración local o numeración de cualquier lugar del mundo (si son provistos por el proveedor). Aquí vemos que tenemos dos usuarios SIP 100 y 200, donde tienen como contraseña el número 100 y 200 respectivamente. También especificamos el callerid igual a los números de teléfono también tenemos que son cuentas del tipo friend, es decir que pueden hacer y recibir llamadas (las otras son user y peer que solamente reciben o hacen llamadas respectivamente). Otros parámetros que definimos son host, donde al especificar que sea dynamic decimos que el IP puede ser un IP cualquiera y no uno fijo, también definimos el contexto al que va a caer la llamada en el dialplan (este contexto se define en el archivo extensions.conf). Definimos el modo que usaremos para el DTMF (Dual Tone Multi Frequency) sea acorde a la RFC2833, también especificamos si el cliente puede hacer reinvites, que son INVITES siguientes a establecerse la llamada y sirven para evitar tener que pasar el tráfico de audio por la PBX, y que este camino se establezca entre los end points 8

9 (teléfonos IP). El último parámetro es nat=yes, que configura la cuenta para tener soporte NAT, esto es muy necesario para los clientes que están detrás de routers que hacen NAT, ya que sin este soporte las llamadas salen con audio unidireccional. Como vemos, con sólo modificar dos archivos ya estamos con posibilidades de configurar nuestra cental telefónica IP para poder hacer llamadas entre teléfonos IP y con destinos a telefonía pública (PSTN), por lo que debemos ahora encontrar una forma de poder hacer esto y aplicar estos cambios. Esto último lo podemos hacer mediante el uso de un lenguaje de programación como ser PHP, que permite crear una interface web para administrar la configuración de nuestra plataforma, permitiendo modificar los archivos de configuración y aplicando estos cambios en Asterisk. Todo esto lo podemos ver en detalles en el listado de programas al final del informe. CONCEPTOS DE CÁLCULO DE TRÁFICO Muchas veces el simple hecho de tener funcionando una centrar telefónica no nos asegura que podamos realizar llamadas en el momento deseado, ya que existe la posibilidad que no hayamos tenido en cuenta la cantidad de llamadas que va a traficar la misma y por esto no haber dimensionado en forma correcta las líneas externas disponibles. Para dimensionar las líneas externas correctamente debemos conocer un poco sobre la teoría estadística usada para el cálculo de los volúmenes de tráfico en telefonía, esto es el número de Erlang y las fórmulas propuestas por este ingeniero danés. El Erlang es una unidad adimensional utilizada en telefonía como una medida estadística del volumen de tráfico. El tráfico de un Erlang corresponde a un recurso utilizado de forma continua, o dos canales utilizados al 50%, y así sucesivamente. Por ejemplo, si una oficina tiene dos operadores de teléfono y ambos están ocupados durante todo el tiempo, esto representa dos Erlangs de tráfico, o si un canal de radio está ocupado durante treinta minutos en una hora se dice que soporta un tráfico de 0.5 Erlangs. De forma alternativa, un Erlang puede ser considerado como "multiplicador de utilización" por unidad de tiempo, así un uso del 100% corresponde a 1 Erlang, una utilización de 200% son 2 Erlangs, y así sucesivamente. Por ejemplo, si el uso total del móvil en un área por hora es de 180 minutos, esto representa 180/60 = 3 Erlangs. En general, si la tasa de llamadas entrantes es de λ por unidad de tiempo y la duración media de una llamada es h, entonces el tráfico A en Erlangs es: A = λh Esto puede ser usado para determinar si un sistema está sobredimensionado o se queda corto (tiene demasiados o muy pocos recursos asignados. Por ejemplo, el tráfico medido sobre muchas horas de ocupación puede ser usado para un T1 o un E1 para determinar cuántas líneas (troncales) debieran de utilizarse durante las horas de mayor ocupación. El tráfico medido en Erlangs es usado para calcular el nivel de servicio (GOS). Hay diferentes fórmulas para calcular el tráfico entre ellos, Erlang B, Erlang C y la fórmula de Engset. Esto será discutido a continuación, y cada uno puede ser derivado como un caso espacial de Procesos de tiempo continuo de Markov conocido como birth-death process. Fórmula Erlang B La fórmula de Erlang B asume una población infinita de orígenes (como usuarios de telefonía), la cual ofrece tráfico en conjunto a N servidores (como líneas en un grupo de troncales). 9

10 La tasa de llegadas de nuevas llamadas (tasa de nacimiento) es igual a λ y es constante, no depende del número de recursos activos, porque se asume que el total de recursos es infinito. La tasa de abandono (tasa de mortandad) es igual al número de llamadas en progreso dividida por h, la media del tiempo de llamadas en espera. La fórmula calcula la probabilidad de bloqueo en una pérdida del sistema, si un requerimiento no es atendido inmediatamente cuando trata de utilizar un recurso, y este es abortado. Por lo tanto no son encolados. El bloqueo ocurre cuando hay un nuevo requerimiento de recursos, pero todos los servidores ya están ocupados. La fórmula asume que el tráfico que es bloqueado se libera inmediatamente. A continuación se muestra cómo puede ser expresado recursivamente, en una forma que es usada para calcular tablas de la fórmula de Erlang B: donde: * B es la probabilidad de bloqueo * N es el número de recursos como servidores o circuitos en un grupo * A = λh es la cantidad de tráfico entrante expresado en Erlangs La fórmula Erlang B se aplica a los sistemas con pérdidas, tales como sistemas telefónicos tanto fijos como móviles, que no ofrecen almacenamiento de llamadas (es decir, no permiten dejar la llamada "en espera"), y no se pretende que lo hagan. Se asume que las llegadas de llamadas pueden ser modeladas por un proceso de Poisson, pero es válida para cualquier distribución estadística de tiempos entre llamadas. Erlang B también es una herramienta para dimensionar tráfico entre centrales de conmutación de voz. Fórmula Erlang C La Fórmula de Erlang C también asume una infinita población de fuentes, las cuales ofrecen en conjunto, un trafico de A Erlangs hacia N servidores. Sin embargo, si todos los servidores están ocupados cuando una petición llega de una fuente, la petición es introducido en la cola. Un sin fin de números de peticiones podrían ir a la cola en este modo simultáneamente. Esta formula calcula la probabilidad de la cola ofrecido en el trafico, asumiendo que las llamadas que fueron bloqueadas se quedaran en el sistema hasta que se pueda atender. Esta formula es usada para determinar la cantidad de agentes o representantes de clientes, que necesitará en un Call Center para después saber la probabilidad en la cola. 10

11 Donde: * A es la intensidad total del trafico ofrecido en unidades de Erlangs. * N es la cantidad de servidores [número de troncales]. * PW es la probabilidad de que un cliente tenga que esperar para ser atendido. Se asume que las llamadas entrantes puede ser modeladas usando una distribución de Poisson y que el tiempo de espera de las llamadas son descriptas por una distribución exponencial negativa. Fórmula Engset La fórmula Engset, así llamada por T. O. Engset, está relacionada pero funciona con una población finita de S orígenes en lugar de la población infinita de orígenes que asume Erlang: Esto puede ser expresado recursivamente del siguiente modo, en una forma que es usada para calcular las tablas de la fórmula Engset: donde: * E es la probabilidad de bloqueo * A es el tráfico en Erlangs generado por cada origen cuando está desocupado * S es el número de orígenes * N es el número de servidores De nuevo, se asume que las llamadas que llegan pueden ser modeladas por una distribución Poisson y que los tiempos de espera son descriptos por una distribución exponencial negativa. Sin embargo, debido a que hay un número finito de servidores, la tasa de llegada de las nuevas llamadas 11

12 decrece a medida que nuevos orígenes (como abonados telefónicos) se vuelven ocupados y por lo tanto no pueden originar nuevas llamadas. Cuando N = S, la fórmula se reduces a una distribución binomial. Teniendo en cuenta esta teoría de tráfico, nosotros podríamos dimensionar en forma correcta la cantidad de líneas salientes que necesitaríamos en caso de usar nuestra PBX para dar servicios de call center por ejemplo. Cuando hablamos de dimensionamiento en un caso así estamos hablando de las líneas telefónicas a contratar (E1 en caso de Argentina) y del hardware a utilizar que soporte estas líneas (voip gateway). En nuestro proyecto al enviar las llamadas por un proveedor de servicios voip, estamos acotados más por el tráfico que dicho proveedor pueda darnos (cantidad de llamadas simultáneas), al ancho de banda que nos esté dando el proveedor de Internet y al hardware usado en la central telefónica. * En caso de necesitar cálculos rápidos existen infinidad de recursos en la red que aplican la teoría de tráfico en una forma simple ej: DIMENSIONAMIENTO DE HARDWARE Y ACCESO A INTERNET Como hemos hablado en el punto anterior, además de las líneas salientes disponibles deberemos tener en cuenta el hardware usado y el ancho de banda de nuestro acceso a Intenet. En el caso de tener que dimensionar el hardware de una central telefónica IP, deberemos tener en cuenta los siguientes puntos: Tipos de teléfonos que planeamos usar (analógicos, SIP, Skinny, H.323, MGCP) Cantidad de teléfonos que operaremos Cantidad de líneas externas Tipo de líneas externas (nalog, BRI, PRI, T1, VoIP) Cantidad de llamadas concurrentes internas/externas Haremos transcodificación? Tipos de servicios a brindar (Cancelación de eco, voic , colas de conferencia, call center, grabación de llamadas, IVRs, text to speech, reconocimiento de habla) Tipo de versión de asterisk instalado No existe una fórmula para calcular las llamadas que nuestro sistema soportará antes de verse superado, pero existen muchas experiencias e información sobre los límites que podemos esperar. Si tomamos en cuenta la versión de Asterisk usada, sabemos que la versión 1.2 comienza a tener problemas cuando el tráfico está alrededor de 220 llamadas concurrentes SIP. La versión 1.4 puede soportar aproximadamente el doble de su antecesora, mientras que la 1.6 supera en un factor de 3 o 4 a la versión 1.4. En cuanto a la velocidad y cantidad de memoria RAM, podemos decir que para CPUs de poca velocidad Asterisk necesita de aproximadamente 30Mhz de cpu por cada llamada concurrente. En nuestro proyecto usamos un micro 586 de 300 Mhz por lo que podemos decir que no deberíamos tener problemas en traficar hasta 10 llamadas SIP simultáneas. En caso de CPUs de velocidades media como ser 1Ghz (>256MB RAM), estamos en valores menores a 100 llamadas simultáneas. Finalmente si nuestro hardware posee un micro de varios Ghz de velocidad, más de un núcleo y suficiente memoria (> 1GB) podemos llegar a tener entre 200 y 350 llamadas concurrentes. Todos los números antes explicados pueden variar y ser menores si usamos transcodificación en las llamadas, es decir que recibimos una llamadas con un codec por ejemplo G.711 y 12

13 transcodificamos en G.729, esto debido a que necesitamos usar CPU extra para procesar el audio y comprimir el mismo con los algoritmos que ofrece cada codec, cosa que no sucede si usamos el mismo codec, ya que el audio es transferido directamente sin usar algoritmo alguno para transcodificar. En cuando al dimensionamiento del enlace a Internet, debemos tener en cuenta la cantidad de llamadas simultáneas y los codecs usados para las misma, ya que cada codec comprime el audio en forma diferente y usa mayor o menor ancho de banda. Para los codecs más comunes tenemos: GSM - 13 Kbps, 20ms frame size ilbc - 15Kbps,20ms frame size: 13.3 Kbps, 30ms frame size ITU G Kbps (ley u y a) ITU G /6.3 Kbps, 30ms frame size ITU G /24/32/40 Kbps ITU G Kbps, 10ms frame size Speex a 44.2 Kbps TEORÍA DE FUNCIONAMIENTO La figura 4 muestra un esquema elemental del sistema desarrollado Fig 4: Esquema general del proyecto En el esquema de la figura 4 vemos que la IP PBX está representada como una motherboard SBC (Single Board Computer) y está conectada a nuestra red local detrás de nuestro router que nos 13

14 conecta a Internet. El mismo lado del router tenemos nuestros teléfonos IP o adaptadores telefónicos analógicos (ATA) que adaptan nuestros teléfonos analógicos para que trabajen como teléfonos IP. También podemos tener computadoras con algún software con soporte SIP (softphone) y poder usar estas computadoras como teléfonos IP. Nuestros teléfonos, sean estos IP, computadoras con softphone o adaptadores analógicos van a tener que registrarse en nuestra IP PBX, luego de lo cual podrán hacer llamadas entre ellos, pasando todo el tráfico telefónico a través de nuestra red local. En caso de necesitar usar el teléfono desde un lugar remoto (otro país por ejemplo), ésto lo podremos hacer registrando nuestro teléfono IP en la IP pública de nuestra PBX, para lo cual debemos tener configurado nuestro router para enviar todo el tráfico que llega a nuestro router a nuestra IP PBX(forward de los puertos). En caso de necesitar hacer llamadas a PSTN (Public Switched Telephone Network), esto lo podríamos hacer añadiendo un aparato llamado Gateway, que haría la translación de IP a telefonía, o sino de una forma más simple (como lo hacemos nosotros), contratando un servicio de telefonía IP a algún proveedor, los que nos dan, además de un número telefónico para recibir llamadas, terminación de llamadas a todo el mundo a un precio muy bajo (aprox 10 veces menos para llamadas internacionales). INSTALACIÓN DEL SISTEMA A continuación indicamos los pasos seguidos en orden para la instalación del sistema 1. Instalación de FreeBSD en una estación de trabajo 2. Creación de la imagen a descargar en la CF (Compact Flash) con TinyBSD 3. modificar la imagen con las configuraciones a medida (acceso a internet, instalación de servidor web, lenguaje php, asterisk, mpeg123, librerías, copiar interfaz web) 4. Copiar imagen en memoria compact flash A continuación pasamos a describir cada una de estas operaciones. Instalación del sistema operativo base (FreeBSD) 1.1 General Para poder desarrollar nuestra aplicación y crear una imagen que podamos luego copiar a la memoria flash, debemos tener un sistema base, desde donde trabajaremos para crear la misma. Este sistema base debe poseer todas las herramientas necesarias de desarrollo y también el código fuente tanto de las aplicaciones a instalar como así también del kernel del sistema operativo. Usaremos FreeBSD, que es un unix open source de mucho uso en este tipo de aplicaciones industriales "embedded" ya que es extremadamente estable y además presenta una licencia mucho más abierta que otros sistemas operativos open source. Esta diferencia hace que podamos desarrollar nuestra aplicación, venderla y si no nos conviene no estamos obligados a entregar el código fuente, cosa que con licencias GNU o GPL no sucede. La instalación del Sistema Operativo FreeBSD se resume en los siguientes pasos: Bajar imagen de CD desde ftp.freebsd.org y copiar en CD. Arrancar instalación con el CD. Crear partición en disco para la instalación. Crear subparticiones. 14

15 Elegir tipo de instalación (X-Developer + KERNEL Developer) e instalar el sistema operativo. Configurar interfaz de red y servicios. Finalizar instalación y arrancar nuevo sistema. 1.2 Modificación del código fuente del SO para superar problemas de compatibilidad Debido a diferencias en la arquitectura de los microprocesadores Geode fabricados por National (GX1) ciertas modificaciones deben ser hechas en el código fuente del sistema operativo. Pasamos a detallar las modificaciones a realizar: 1. Usar el chip 8254 en lugar del Registro TSC (Time Stamp Counter) como clock. Si el registro TSC es usado, el clock será muy lento en al menos un factor de 10. Esto hace que todo lo que use un tsleep() se cuelgue, resultando en un sistema casi imposible de usar. En el archivo: /usr/src/sys/i386/isa/clock.c Al final de la rutina startrtclock(), reemplazar este código: init_tsc(); Por este código: /* init_tsc(); */ 2. Modificar generic_bcopy() para usar byte-moves en vez de long-moves. En FreeBSD la rutina generic_bcopy() usa una instrucción rep movsl. La dirección inicial pasada a generic_bcopy() es a veces "non-long-alined". Esto debería funcionar, pero las plataformas GX1 se cuelgan. En el archivo: /usr/src/sys/i386/i386/support.s Reemplazar este código: ENTRY(generic_bcopy) pushl %esi pushl %edi movl 12(%esp),%esi movl 16(%esp),%edi movl 20(%esp),%ecx movl %edi,%eax subl %esi,%eax cmpl %ecx,%eax /* overlapping && src < dst? */ jb 1f 15

16 shrl $2,%ecx /* copy by 32-bit words */ cld /* nope, copy forwards */ rep movsl movl 20(%esp),%ecx andl $3,%ecx /* any bytes left? */ rep movsb popl popl ret %edi %esi Por este nuevo código: ENTRY(generic_bcopy) pushl %esi pushl %edi movl 12(%esp),%esi movl 16(%esp),%edi movl 20(%esp),%ecx movl %edi,%eax subl %esi,%eax cmpl %ecx,%eax /* overlapping && src < dst? */ jb 1f #if 0 #else #endif shrl $2,%ecx /* copy by 32-bit words */ cld /* nope, copy forwards */ rep movsl movl 20(%esp),%ecx andl $3,%ecx /* any bytes left? */ cld /* BRM */ rep movsb popl popl ret %edi %esi Lo que esto hace es eliminar un intento de usar un lazo de optimización (lazo de instrucción de movimiento de palabra). En su lugar, la cadena de caracteres es simplemente copiada usando la instrucción de movimiento de bytes que normalmente manipula los bytes en la última palabra. Este arreglo se necesita debido a una llamada en el archivo: /usr/src/sys/dev/syscons/scvtb.c 16

17 La rutina sc_vtb_copy() llama a bcopy_toio() en una dirección impar cuando los bytes que conforman la memoria de video están siendo rápidamente movidos o copiados en memoria luego de un backspace, generando una penalidad. 3. Remover el uso de la interrupción INT 15/AX=E820h BIOS trap del modo VM86. Esta trampa (trap) determina el tamaño de la memoria física y la disposición. FreeBSD usa esta interrupción para dimensionar la memoria física, pero usa un esquema anterior si el trap falla. Esta interrupción en la plataforma GX1 genera una falla de paginado fatal. En el archivo: /usr/src/sys/i386/i386/machdep.c En la rutina getmemsize(), reemplazar este código: i = vm86_datacall(0x15, &vmf, &vmc ); Por este nuevo código: #if 0 i = vm86_datacall(0x15, &vmf, &vmc ); #else i = 1; #endif Esto elimina el intento de usar la interrupción INT 15/E Creación de la imagen con TinyBSD Una vez instalado FreeBSD, usamos el sript tinybsd que es el que nos permite crear la imagen con un sistema operativo FreeBSD reducido más todas las aplicaciones necesarias. Este script viene instalado por defecto en el sistema operativo. Para comenzar lo primero que debemos conocer es la especificación técnica de la memoria flash que es donde vamos a guardar la imagen que después será usada como si fuera un disco rígido por la SBC. Comencemos, lo primero es identificar el nombre de dispositivo que el sistema asigna a la memoria CF, para ello tecleamos en el prompt del sistema el siguiente comando y le damos enter, # dmesg Cuando introducimos la memoria flash se despliega el siguiente mensaje Dec 11 12:49:18 laptop kernel: umass1: <Generic USB Storage Device, class 0/0, rev 2.00/2.0a, addr 4> on uhub4 Dec 11 12:49:18 laptop root: Unknown USB device: vendor 0x0aec product 0x3260 bus uhub4 Dec 11 12:49:19 laptop kernel: da1 at umass-sim1 bus 1 target 0 lun 0 Dec 11 12:49:19 laptop kernel: da1: <Generic USB Storage-CFC I20A> Removable 17

18 Direct Access SCSI-0 device Dec 11 12:49:19 laptop kernel: da1: MB/s transfers Dec 11 12:49:19 laptop kernel: da1: 122MB ( byte sectors: 64H 32S/T 122C) Lo mismo podemos hacer con el comando # tail f /var/log/messages obteniéndose el mismo mensaje. El comando tail nos muestra los mensajes de syslog, que es un demonio (programa corriendo en background) cuya función es mostrar los log del sistema, -f le indica al comando que lea la cola de mensajes en forma continua. Resaltamos con fondo de color amarillo sobre el mensaje los datos correspondientes a la memoria CF, allí se puede ver que al dispositivo se le asignó el nombre da1, que es un dispositivo de almacenamiento con una tasa de transferencia de 40 MB por segundos, con una capacidad de 122 MB distribuidos en sectores de 512 bytes, 64 cabezas, 122 cilindros y 32 sectores por pista (sectors per track). También podemos ejecutar el siguiente comando # diskinfo v/dev/da1 El cual nos da una manera más clara de ver las especificaciones de la compact flash, tal como se muestra: /dev/da1 512 # sectorsize # mediasize in bytes (122M) # mediasize in sectors 122 # Cylinders according to firmware. 64 # Heads according to firmware. 32 # Sectors according to firmware. El paso siguiente es definir el archivo de configuración del kernel del sistema operativo llamado TINYBSD y localizado en el directorio /usr/src/tools/tools/tinybsd/conf/default. Este archivo nos permite especificar el soporte de dispositivos que tendrá nuestro kernel como ser placas de red, soporte para puertos serie/paralelo, placas wireless, etc. Como sólo nos interesa tener soporte para dispositivos que estén presentes en nuestra placa madre, procedimos a eliminar el soporte para pcmcia, floppy disk, placas wireless, placas Ethernet no presentes, intefaces tunnel, gif, ppp, soporte usb, etc. Al eliminar el soporte que no deseamos usar hacemos que el kernel sea más chico y ocupe menos memoria, influyendo esto en la velocidad del sistema y también en la memoria disponible para nuestro sistema. El archivo TiNYBSD quedará de esta manera: machine cpu ident i386 I586_CPU TINYBSD # To statically compile in device wiring instead of /boot/device.hints #hints "GENERIC.hints" # Default places to look for devices. options SCHED_4BSD # 4BSD scheduler 18

19 options INET # InterNETworking options FFS # Berkeley Fast Filesystem options SOFTUPDATES # Enable FFS soft updates support options UFS_ACL # Support for access control lists options UFS_DIRHASH # Improve performance on big directories options MD_ROOT # MD is a potential root device options NFSCLIENT # Network Filesystem Client options NFSSERVER # Network Filesystem Server options NFS_ROOT # NFS usable as /, requires NFSCLIENT options MSDOSFS # MSDOS Filesystem options CD9660 # ISO 9660 Filesystem options PROCFS # Process filesystem (requires PSEUDOFS) options PSEUDOFS # Pseudo-filesystem framework options GEOM_PART_GPT # GUID Partition Tables. options COMPAT_43 # Compatible with BSD 4.3 [KEEP THIS!] options COMPAT_FREEBSD4 # Compatible with FreeBSD4 options SYSVSHM # SYSV-style shared memory options SYSVMSG # SYSV-style message queues options SYSVSEM # SYSV-style semaphores options _KPOSIX_PRIORITY_SCHEDULING # POSIX P1003_1B real-time extensions options KBD_INSTALL_CDEV # install a CDEV entry in /dev options AHC_REG_PRETTY_PRINT # Print register bitfields in debug options ADAPTIVE_GIANT # Giant mutex is adaptive. device apic # I/O APIC device eisa device pci # ATA and ATAPI devices device ata device atadisk # ATA disk drives device atapist # ATAPI tape drives options ATA_STATIC_ID # Static device numbering # atkbdc0 controls both the keyboard and the PS/2 mouse device atkbdc # AT keyboard controller device atkbd # AT keyboard device psm # PS/2 mouse device vga # VGA video card driver # syscons is the default console driver, resembling an SCO console device sc # Add suspend/resume support for the i8254. device pmtimer # Serial (COM) ports device sio # 8250, 16[45]50 based serial ports # PCI Ethernet NICs that use the common MII bus controller code. # NOTE: Be sure to keep the 'device miibus' line in order to use these NICs! device miibus # MII bus support device rl # RealTek 8129/8139 # Pseudo devices. device loop # Network loopback device random # Entropy device device ether # Ethernet support 19

20 device pty # Pseudo-ttys (telnet etc) device md # Memory "disks" # The `bpf' device enables the Berkeley Packet Filter. # Be aware of the administrative consequences of enabling this! # Note that 'bpf' is required for DHCP. device bpf # Berkeley packet filter Ya teniendo las especificaciones técnicas y el archivo de configuración del kernel, lo que sigue es ejecutar el script tinybsd pasándole los parámetros tal como se muestra: # /usr/src/tools/tools/tinybsd/tinybsd sectors=512 heads=64 spt=32 conf=default Esto generará el archivo imagen tinybsd.bin en el directorio /usr/src/tools/tools/tinybsd/ el cual incluirá el kernel del sistema operativo, el sistema de archivos, comandos básicos y drivers necesarios para poder arrancar con el mismo desde la memoria compact flash especificada en la creación de la imagen. 3. Modificación y configuración de la imagen creada en el punto Configuración del sistema operativo Ya teniendo la imagen creada con el sistema operativo en ella, debemos poder acceder a esta y configurar los archivos de inicio del sistema. Para poder acceder a la imagen, podemos montar la misma en el directorio /mnt de la siguiente forma: # mdconfig -a -t vnode -f /usr/src/tools/tools/tinybsd/tinybsd.bin -u 0 # mount /dev/md0a /mnt luego editar y salvar los siguientes archivos: # vi /etc/rc.conf hostname="embedded" sendmail_enable="none" sshd_enable="yes" usbd_enable="no" inetd_enable="no" portmap_enable="no" update_motd="no" varmfs="yes" populate_var="yes" varsize="8192" tmpmfs="yes" ifconfig_rl0="inet netmask " defaultrouter=" " lighttpd_enable="yes" asterisk_enable="yes" noip_enable="yes" Con estas opciones deshabilitamos los servicios que no queremos usar, configuramos la creación de /var y /tmp en memoria RAM con los tamaños indicados, configuramos la IP y puerta de enlace y definimos asterisk y lighttpd para que se inicien junto al sistema. 20