CCNA Voice. Introducción a los circuitos digitales

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1 CCNA Voice Introducción a los circuitos digitales

2 Contenido Digitalizar señales analógicas 1 2 Multiplezación por División de Tiempo (TDM) 2

3 Introducción Circuitos digitales vs Circuitos analógicos: Un circuito digital permite una mayor densidad de llamadas sobre una misma conexión física. Un circuito analógico soporta sólo una llamada cada vez. Tipos de circuitos digitales: Señalización por canal común (Common Channel Signaling - CCS) : PRI T1: Soporta 23 llamadas. PRI E1: Soporta 30 llamadas. BRI: Soporta 2 llamadas. Señalización de canales asociados (Channel Associated Signaling - CAS): T1: a 1,544Mbps soporta 24 llamadas (sin compresión). E1: a 2,048Mbps soporta 30 llamadas (sin compresión). 3

4 DIGITALIZAR SEÑALES ANALÓGICAS 4

5 Digitalización de señales analógicas Proceso de 4 pasos: 1. Muestrear el sonido analógico a intervalos regulares. 2. Cuantificar la muestra 3. Codificar el valor en una expresión binaria. 4. Opcionalmente comprimir la muestra. CONVERSOR A/D Muestreador Cuantificador Codificador Señal analógica Señal en tiempo discreto Señal cuantificada Señal digital 5

6 Muestreo Cuantas más muestras se toman por segundo, mayor es la calidad, pero mayor es la cantidad de datos digitales generados. Teorema de Nyquist: Voz: Para reproducir una señal con calidad de audio aceptable, la frecuencia de muestreo debe ser el doble de su frecuencia máxima. AB = 4.000HZ f muestreo 2 x 4.000Hz = 8.000Hz Más de muestras por segundo Señal analógica Tiempo Cada muestra está separada 1/8000 segundos 6

7 Cuantificación Aproximación digital que se hace de una onda analógica, el códec elige un valor de segmento que es lo más cercano posible a su valor analógico en el intervalo en el que se toma la muestra, pero no puede ser exacto. Convierte una serie de muestras de amplitud continua en una sucesión de valores discretos según el código utilizado. PROCESO: se mide el nivel de tensión de cada muestra y se le atribuye un valor finito (discreto) de amplitud, seleccionado por aproximación dentro de un margen de niveles. Cada muestra se divide en 16 intervalos que se ajustan para aproximarse el máximo posible a la onda original. La cuantificación puede introducir un ruido de cuantificación: diferencia entre el valor original de la amplitud muestreada y el valor aproximado correspondiente a la escala seleccionada. 7

8 Cuantificación Segmento 2 Voltaje + Segmento 1 Segmento 0 Segmento 0 Cada muestra está separada 1/8000 de segundo Tiempo - Segmento 1 Segmento 2 8

9 Codificación Se usa una única clave de 8 bits para identificar si la señal analógica era un voltaje positivo o negativo, el valor con el que se cuantificó la señal y el intervalo que representa. El primer bit identifica un voltaje positivo (1) o negativo (0). Los siguientes tres bits representan el segmento. Existen ocho segmentos en el rango positivo y ocho segmentos en el rango negativo. Los últimos cuatro bits identificarn el intervalo. Ejemplo: Valor + Segmento 1 Intervalo 12 9

10 Codificación PCM, Modulación por Pulsos Codificados, estándar de compresión en telefonía Clave 8 bits. f muestreo = 8000Hz AB = 8 x = bps = 64 Kbps Un canal de voz requiere 64Kb de ancho de banda para transporte. 10

11 Compresión No es un paso necesario, se lleva a cabo para ahorrar ancho de banda en entornos VoIP, comprimiendo pausas y patrones repetitivos de sonido. 2 tipos de compresiones principales: ADPCM (Adaptative Differenctial PDM): No envía claves enteras, envía claves reducidas que representan las diferencias entre esta palabra y la anterior. Método poco utilizado. Proporciona una menor calidad de voz y sólo puede comprimir hasta 16kbps CS-ACELP (Conjugate Structure Algebraic Code Excited Linear Prediction): Se basa en uso de diccionario con códigos de sonido conocidos, la muestra digital se analiza y compara con el diccionario, el código del diccionario que más se parece es el que se envía. El libro de códigos se actualiza constantemente. Permite compresiones hasta 8kbps. Método muy usado en redes VoIP. 11

12 MULTIPLEZACIÓN POR DIVISION DE TIEMPO (TDM) 12

13 TDM La multiplexación TDM permite a las redes de voz transportar múltiples conversaciones simultáneamente sobre un único cable de 4 hilos. El ancho de banda total del medio de transmisión se asigna a cada canal durante una fracción del tiempo total (intervalo de tiempo). PBX Conexión digital PSTN Oficina Central Intervalo temporal #2 Intervalo temporal #1 Intervalo temporal #1 Intervalo temporal #2 Intervalo temporal #3 13

14 Circuitos T1 Circuito digital de alta velocidad para la transmisión de voz, datos o vídeo, con un ancho de banda de 1,544 Mbps. Los circuitos T1 ofrecen el equivalente de veinticuatro troncales de voz analógicas. Los 64k de la conversación 1 se transmiten en el primer canal del T1, después los 64k de la conversación 2 en el segundo canal, y así sucesivamente. Si no existen suficientes conversaciones para llenar todos los canales, estos se rellenan con valores vacios. Los 24 canales se agrupan en una trama. Dependiendo de la implementación, 12 tramas se agrupan en una trama mayor (Supertrama o SF) o se agrupan las 24 tramas en una Supertrama extendida (ESF). Los circuitos T1 son full dúplex, con dos hilos enviando y otros dos hilos recibiendo. 14

15 Circuitos E1 Un circuito E1 es muy similar a un T1. Hay 32 canales, de los que 30 se utilizan para voz (los otros dos se utilizan para señalización). Los 32 canales se agrupan en una trama y 16 tramas se agrupan en una multitrama. Los circuitos E1 son populares en Europa y Méjico, con algunos servicios E1 disponibles en Estados Unidos. 15

16 Channel Associated Signaling (CAS) T1 La información de señalización se transmite usando el mismo ancho de banda que la voz. FUNCIONAMIENTO: El bit menos significativo de cada canal en cada sexta trama se roba para generar secuencias de señalización. En SF, 12 tramas forman una Supertrama. Usando un bit por canal en cada sexta trama nos da dos secuencias de señalización de 12 bits (conocidas como A y B) por Supertrama, que se usan para indicar estado básico, direccionamiento y mensajes de supervisión. En ESF, 24 canales forman una Supertrama Extendida, lo que nos da las secuencias de señalización A, B, C y D que se usan para funciones avanzadas. Como CAS toma un bit de cada canal en cada sexta trama, se le conoce como Señalización por Bit Robado (RBS). El uso de CAS implica una casi imperceptible degradación de la calidad de la voz ya que cada sexta trama tiene solo 7 bits en vez de 8. 16

17 Channel Associated Signaling (CAS) E1 La señalización para E1 es ligeramente diferente. Funcionamiento CAS E1: El primer canal (canal 0 o timeslot 1) se reserva para la información de trama. El canal decimoséptimo (canal 16 o timeslot 17) contiene la información de señalización no se roban bits a los canales individuales. Los timeslots 2 a 16 y 18 a 32 transportan la voz. Cada canal tiene bits específicos en el timeslot 17 para señalización. A pesar de que CAS E1 no utiliza RBS, aún se considera CAS; sin embargo la señalización es fuera de banda en su propio canal. 17

18 Common Channel Signaling (CCS) CCS tiene su propio canal, canal D, de señalización fuera de banda. Funcionamiento de CCS: El total de los 64 k de ancho de banda de cada canal se utilizan para voz. En lugar de generar bits ABCD, un protocolo denominado Q.931 se usa fuera de banda en un canal separado para señalización. Un T1 primario (PRI) de RDSI tiene 23 canales de voz de 64 k cada uno (Canales B) y un canal de 64 k, llamado D en el timeslot 24 para señalización. Un Primario E1 de RDSI tiene 30 canales B y 1 canal D (timeslot 17). Un circuito BRI de RDSI tiene 2 canales B de 64k y 1canal D de 16k. 18

19 CCNA Voice VoIP

20 Contenido Paquetización 1 4 Códecs DSPs 2 5 Detección de actividad de voz (VAD) Real-Time Transport Protocol (RTP) 3 6 Funciones de DSP adicionales 20

21 Introducción Ventajas de la VoIP: Reducción del coste de las comunicaciones. Reducción del coste del cableado. Redes de voz ubicuas. Llévate el teléfono contigo. Softphones IP. Correo electrónico, correo de voz y fax unificado. Aumento de la productividad. Comunicaciones más completas. Estándares abiertos y compatibles. 21

22 PAQUETIZACIÓN 22

23 Paquetización Las redes IP transportan datos en pequeñas unidades llamadas paquetes. Una vez digitalizada la voz, y convertida en un valor binario hay que incluir dicho valor (payload) binario dentro de un paquete. VoIP utiliza Procesadores de Señales Digitales (Digital Signal Processors DSP) para las funciones de códec. La voz digitalizada se paquetiza en una estructura de transporte adecuada para ser utilizada en la red IP. 23

24 DSPS 24

25 DSPs Los DSP son chips que hacen funciones de muestreo, cuantificación, codificación y opcionalmente compresión del proceso de digitalización. Se usa en ambos sentidos para convertir desde una señal de voz tradicional (analógica o digital) a VoIP y viceversa. Los DSP también se utilizan en la interfaz de los gateway con los circuitos de la PSTN para cambiar de un circuito analógico (o digital) a voz paquetizada. El número de llamadas simultáneas que un chip puede manejar depende del tipo de DSP y del códec usado. 25

26 DSPs DSPs PSTN Analógico o Digital Paquetes IP IP PSTN Analógico o Digital Paquetes IP PSTN Analógico o Digital Paquetes IP IP Voz Paquetes IP IP 26

27 REAL-TIME TRANSPORT PROTOCOL (RTP) 27

28 Real-time Transport Protocol - RTP Payload Type Sequence Number Time Stamp Payload RTP es un protocolo de nivel de sesión para la transmisión de información en tiempo real, como por ejemplo voz y vídeo. Selecciona aleatoriamente puertos impares del rango de puestos UDP Incluye los siguientes servicios: Identificación del tipo de payload. Uso de números de secuencia. Uso de marcas de tiempo (timestamps). 28

29 RTP Control Protocol - RTCP RTCP se puede usar para monitorizar la calidad de la distribución de datos y para proporcionar información de control. Proporciona información sobre las condiciones de red actuales. Permite a los extremos involucrados en una sesión RTP intercambiar información de monitorización y control de la sesión: Conteo de paquetes. Retardo de paquetes. Conteo de octetos. Pérdida de paquetes. Jitter (variación de retardo). Proporciona un flujo separado de RTP para el uso de UDP. Utiliza el mismo puerto que RTP más 1 (usa puertos pares dentro del mismo rango que RTP). 29

30 RTP y paquetización Cabecera Capa 2 Cabecera IP Cabecera UDP Cabecera RTP Payload Voz La paquetización de la voz la realizan los DSP. El DSP encapsula en paquetes IP muestras de voz o voz comprimida. Los datos de voz son acumulados hasta que el payload del paquete está completo. Estos datos de voz se transportan en el payload de segmentos RTP. El segmento RTP se encapsula en un segmento UDP, el cual se encapsula en un paquete IP. Finalmente este paquete IP se encapsula en una trama de Capa 2. 30

31 CÓDECS 31

32 Códecs Los códecs que Cisco soporta son: G.711 (64kbps): voz sin comprimir. G.729 (8kbps): G.729a (Anexo A): Sacrifica un poco de calidad respecto a G.729 para proporcionar una codificación más eficiente (menor uso del procesador). G.729b (Anexo B): Introduce el uso de Detección de Actividad de Voz (VAD) lo que hace que las transmisiones de voz sean más eficientes. 32

33 Códec G Ejemplo Muestra Muestra Muestra Muestra Muestra Muestra 160 RTP Header G ms de muestras (160 bytes) 33

34 Códec G Ejemplo Muestra Muestra Muestra Muestra 4... Muestra DSP Compression RTP Header 20 Bytes of Voice Payload G ms of voice contained in packet 34

35 Códecs Sobrecarga añadida durante la paquetización a 50 paquetes por segundo. Los valores de AB mostrados no incluyen la sobrecarga de capa 2 y capa 3. El AB real de un canal de audio es significativamente mayor. G.711 G.729 Payload de voz 160 Bytes 20 Bytes Cabecera RTP 12 Bytes 12 Bytes Cabecera UDP 8 Bytes 8 Bytes Cabecera IP 20 Bytes 20 Bytes Total antes de Capa Bytes 60 Bytes Total 50 pps bps (80Kbps) bps (24 Kbps) 35

36 Códecs Sobrecarga añadida durante la encapsulación de capa 2 a 50 paquetes por segundo. Los valores de AB mostrados no incluyen la sobrecarga de capa 2 y capa 3. El AB real de un canal de audio es significativamente mayor. Tipo de capa 2 G.711 = 200 Bytes/paquete G.729 = 60 Bytes/paquete Ethernet 18 Bytes 18 Bytes Multilink PPP 6 Bytes 6 Bytes Frame Relay FRF.12 6 Bytes 6 Bytes Total incl. Capa Bytes 206 Bytes 206 Bytes 78 Bytes 66 Bytes 66 Bytes Total Butrate incl. Capa 2 50pps) (87.2 kbps) (82.4 kbps) (82.4 kbps) (31.2 kbps) (26.4 kbps) (26.4 kbps) 36

37 Códecs Uso de RTP comprimido (crtp) en enlaces WAN lentos para reducir el consumo de AB para la transmisión de la cabecera: Usando G.729, la cabecera RTP/UDP/IP es de 40 bytes, el doble que el payload de voz de 20 bytes. crtp reduce la cabecera RTP/UDP/IP a 2 bytes sin checksum o a 4 bytes con checksum. G.711 G.729 Payload de voz 160 Bytes 20 Bytes Cabecera crtp con checksum 4 Bytes 4 Bytes Cabecera crtp sin checksum 2 Bytes 2 Bytes Total antes de capa 2: 164 Bytes 162 Bytes 24 Bytes 22 Bytes Multilink PPP o Frame Relay FRF.12 6 Bytes 6 Bytes Total AB 50 pps incl. Capa 2: bps (68 kbps) bps (67.2 kbps) bps (12 kbps) bps (11.2 kbps) 37

38 DETECCIÓN DE ACTIVIDAD DE VOZ (VAD) 38

39 Detección de Actividad de Voz - VAD Una llamada telefónica incluye un 35% de silencio. En las Comunicaciones Unificadas de CISCO, por defecto, el silencio se paquetiza y se transmite, consumiendo el mismo AB que la voz. Cuando el AB es reducido, VAD puede activarse, con lo que el flujo de voz se para cuando hay silencios. VAD añade la función de Comfort Noise Generation (CNG), que llena el silencio con ruido blanco. La eficacia VAD depende de factores como: el ruido de fondo o los diferentes patrones de habla. music on hold y servicios de fax también. VAD puede generar más problemas de los que puede llegar a resolver, y es recomendable aumentar el ancho de banda disponible que fiarse de esta función. 39

40 FUNCIONES DE DSP ADICIONALES 40

41 Funciones de DSP adicionales Conferencia: Los DSP mezclan los diferentes canales de audio de los participantes y envían la mezcla (menos su propio canal) a cada participante. Transcoding y Punto de Terminación de Medios (Media Termination Points - MTP): Un transcoder cambia un canal de voz de un códec a otro, como puede ser el caso de tránsito entre redes WAN. Los MTP son los puntos donde terminan los flujos de voz mientras se organizan servicios adicionales. Cancelación de Eco: Los DSP facilitan la capacidad de procesamiento necesaria para analizar el flujo de voz y eliminar los patrones repetitivos indicativos de eco. 41

42 CCNA Voice Protocolos de Señalización VoIP

43 Contenido Introducción 1 4 Media Gateway Control Protocol MGCP Protocolos de Señalización VoIP 2 5 Session Initiation Protocol - SIP H Skinny Client Control Protocol - SCCP 43

44 Introducción Los protocolos de señalización VoIP son responsables del establecimiento, mantenimiento y terminación de la llamada. Se utilizan varios protocolos: Algunos están estandarizados, y otros no. Cada protocolo tiene sus ventajas y sus desventajas. Ejemplos: SCCP, H.323, MGCP y SIP. 44

45 PROTOCOLOS DE SEÑALIZACIÓN VOIP 45

46 Protocolos de Señalización VoIP La señalización genera y monitoriza la información de control entre los dos extremos para: El establecimiento de la conexión. El mantenimiento y monitorización de la conexión. La finalización de la conexión. El protocolo de señalización transmite información de supervisión, información y direccionamiento. Tipos de protocolos de señalización: Peer-to-peer: Los endpoints tienen la suficiente inteligencia para realizar la señalización de control de llamada. Cliente-Servidor: Los endpoints envían notificaciones de eventos a un punto inteligente de control centralizado (el call agent, servidor de Unified Communications Manager) y reciben instrucciones de cómo proceder. 46

47 Comparativa Estándard Compatibilidad entre fabricantes Implementado en Gateways Implementado en Teléfonos IP CISCO Modo de operación H.323 Si ITU Muy buena Si No MGCP Si IETF Buena Si No SIP Si IETF Básica Si SCCP No, propietario de CISCO Solo CISCO Si, limitada Si, Cisco Unified IP Phones y otros fabricantes Si, solo en Cisco Unified IP Phones Cliente/ Servidor Peer-topeer Peer-topeer Cliente/ Servidor 47

48 Ejemplo Gateway de Voz 1 Gateway de Voz VoIP ITSP SCCP (Skinny) VoIP H.323 VoIP Destination SIP 48

49 H

50 H.323 Información de control H.255 (Q.931) H.245 Datos T.120 Audio G.711 G.729 RTP Vídeo H.261 H.263 Información de control Audio/Vídeo RTCP RAS TCP UDP IP LAN H.323 no es un protocolo en sí mismo, es una suite de protocolos utilizados para tareas específicas. Inicialmente era un protocolo de señalización multimedia, que emulaba la función de telefonía básica en entornos IP. 50

51 H.323 Versiones H.323: En la versión 1 no se garantizaba calidad del servicio (QoS) sobre redes LAN. En la versión 2 se definió VoIP como un tipo de dato multimedia aparte. En la versión 3 se agregó el servicio de fax sobre IP, etc. Características: El tráfico se realiza mediante UDP/IP. La codificación de audio usa los códecs G.711, G.722, G.728 y G.729. La codificación de VoIP usa el códec G.723. La señalización se envía por TCP/UDP/IP mediante mensajes H.225, éstos permiten establecer la conexión y desconexión. Para la señalización en redes RDSI y para la llamada en la red IP desde el gateway hacia la terminal se utiliza Q.931. La comunicación entre terminal y el gatekeeper, el registro, control de admisión, control de AB, control de estado y desconexión, usa RAS (Registration Admission and Status) a través de mensajes H.225. La información de control de flujo, gestión de canales lógicos, etc. entre terminales o entre terminal y gatekeeper, usa H.245. La autenticación, privacidad y demás servicios de seguridad usan H.235 y éste trabaja con H.245 como capa de transporte. 51

52 MEDIA GATEWAY CONTROL PROTOCOL (MGCP) 52

53 Media Gateway Control Protocol - MGCP MGCP es un protocolo cliente-servidor para los gateway PSTN y algunos clientes. Es fácil de configurar y permite al call agent controlar el gateway MGCP, eliminando la necesidad de gateways con demasiada inteligencia y configuraciones complejas. Funcionamiento: El Gateway comunica eventos, y el call agent le indica lo que tiene que hacer. El Gateway no tiene plan de marcación local porque las decisiones de enrutamiento de llamada las realiza el call agent y se las comunica al gateway MGCP. MGCP no es tan usado como SIP o H.323, y no está soportado por el Unified Communications Manager Express ni por el Smart Business Communication System. 53

54 SESSION INITIATION PROTOCOL (SIP) 54

55 Session Initiation Protocol - SIP SIP es un protocolo propuesto por la IETF, que funciona con IPv4 y IPv6, que no trabaja de manera única sino que, lo hace en conjunto con otros protocolos para crear una arquitectura multimedia más completa. Estos otros protocolos son: RTP (Real-time Transport Protocol) para el envío de datos y revisar la calidad del servicio. RTSP (Real Time Streaming Protocol) para controlar el envío de datos multimedia. MEGACO (Media Gateway Control) para controlar las conmutaciones con la PSTN. SDP (Session Description Protocol) para la descripción de las diferentes sesiones. SIP puede viajar sobre cualquier protocolo de transporte. 55

56 Session Initiation Protocol - SIP SIP es un protocolo de capa de aplicación para crear, modificar y terminar sesiones con uno o más participantes. Las sesiones incluyen: Llamadas telefónicas. Transferencias de datos multimedia. Conferencias en tiempo real. Las invitaciones SIP para crear sesiones, incluyen la descripción de la sesión lo que permite compatibilidad. SIP utiliza servidores proxy para ayudar a enrutar las peticiones a los usuarios de una zona, autentificar y autorizar e implementar políticas para el enrutamiento de llamadas. Los usuarios son user agent y se pueden desplazar a través de la red y mandar diversos tipos de datos (voz, texto, video) usando un identificador que puede ser permanente sin importar la red en la que se encuentre. 56

57 Session Initiation Protocol - SIP Funciones principales: Determinar los tipos de hosts que pretenden establecer una comunicación. Determinar la disponibilidad destino de la llamada para conectarse. Determinar el tipo de datos y los parámetros de la comunicación. Establecer los parámetros de la sesión en el origen y destino de la llamada. Administrar la sesión, inicialización, transferencia, modificación y terminación de sesiones. Creación de troncales SIP hacia proveedores de servicios de telefonía IP, para sustituir las conexiones TDM hacia la PSTN. 57

58 SKINNY CLIENT CONTROL PROTOCOL (SCCP) 58

59 Skinny Client Control Protocol - SCCP Protocolo cliente-servidor propietario de Cisco que se usa entre Cisco Communications Manager (CM) y Teléfonos Cisco (y algunos gateway). SCCP utiliza conexiones TCP al CM para establecer, mantener y terminar llamadas de voz y de video. Envía mensajes como respuesta a eventos (descolgar el teléfono, marcar un número, etc.). SCCP es el protocolo de señalización por defecto en todos los teléfonos Cisco, a pesar de que muchos soportan SIP; sin embargo SIP no soporta todas las funciones disponibles en teléfonos SCCP. Todos los call agent de Cisco Unified Communications, y algunos gateway, soportan SCCP. 59

60 Fin Preguntas 60

61 Fin Preguntas 61

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