UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica

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1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica Diseño de una Plataforma para Establecer un Sistema de Comunicación Telefónica Basado en el Protocolo de Internet (VoIP) para la Empresa ACLA Overseas. Por Manuel José Francisco Fuentes Graterol Carnet # Sartenejas, Agosto

2 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica Diseño de Plataforma para Establecer un Sistema de Comunicación Telefonica Basado en el Protocolo de Internet (VoIP) para la Empresa ACLA Overseas Por Manuel José Francisco Fuentes Graterol Carnet # Realizado con la Asesoría de Ing. Gerardo Fernández (Tutor Académico) Lic. Víctor Moreno (Tutor Industrial) INFORME FINAL DE CURSOS DE COOPERACIÓN TÉCNICA Y DESARROLLO SOCIAL Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar Como requisito parcial para optar al Título de Ingeniero Electrónico Sartenejas, Agosto

3 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica Diseño de Plataforma para Establecer un Sistema de Comunicación Telefonica Basado en el Protocolo de Internet (VoIP) para la Empresa ACLA Overseas INFORME FINAL DE CURSOS DE COOPERACIÓN TÉCNICA Y DESARROLLO SOCIAL Presentado por Manuel José Francisco Fuentes Graterol Carnet # Realizado con la Asesoría de Ing. Gerardo Fernández (Tutor Académico) Lic. Víctor Moreno (Tutor Industrial) RESUME El Proyecto consiste en el diseño de un sistema de comunicación telefónica basado en el protocolo IP, el cual debe permitir la comunicación entre las sedes de la empresa ACLA Overseas ubicadas en Miami, Caracas y Sto. Domingo. El diseño se basa en la selección del Hardware y Software necesario para poder construir una plataforma estable capaz de manejar llamadas Inter-sedes, así como manejar las líneas telefónicas conectadas a la red pública y direccionarlas a la red de VoIP. Se realiza la configuración de los programas y equipos recomendados, y se hacen pruebas que demuestran el buen funcionamiento de estos. PALABRAS CLAVES PBX, VoIP, FXO, FXS, SIP, IAX, PSTN, ATA Sartenejas, Agosto

4 DEDICATORIA A mi Abuela Mamá Aura, porque sé que se sentiría orgullosa de todo el trabajo que he hecho y porque estoy seguro que ella, en donde quiera que esté, está alardeando que su nieto va a ser un Ingeniero Electrónico de la Simón, aunque ella igual no sepa lo que hace un Ingeniero Electrónico. 4

5 AGRADECIMIE TOS Le doy gracias a Dios y a mi Abuela por ayudarme a que todos los buenos caminos se me hayan abierto y que los malos se me hayan cerrado. A mis mamás (Aura y Miriam), por haberme dado todo lo que he necesitado para crecer como persona y como estudiante, y porque siempre me han ayudado y apoyado cuando he necesitado algo. A Aura por haberme dado la educación necesaria para poder llegar a este punto. A mi novia Maria Eugenia, por siempre estar dispuesta a ayudarme y por darme la compañía necesaria en momentos en que nadie me aguanta. A toda mi familia, porque cada uno de los miembros de ella de una u otra forma me han motivado a seguir adelante y me han ayudado a lograr mis metas. En especial a A.J por ser mi hermano y darme todo lo que un hermano tiene para dar, y a mi Tio Aches por enseñarme el valor que tiene la piedra Azul e impulsarme a luchar por ella. A mi tutor académico Gerardo Fernández, por ser más que un profesor, un amigo. Por haberme ayudado de manera incondicional, cuando en realidad no tenía motivos para hacerlo. Al Profesor Iñaki Mendizábal por haberme ayudado en las etapas iniciales de este proyecto. A mi Jefe y tutor industrial Víctor Moreno, por haber confiado en mí, y a mi compañero Marvin García, a quien le agradezco por trabajar conmigo y por la ayuda prestada en este proyecto. A todos, Gracias. 5

6 I DICE I I TRODUCCIÓ :... 9 I.1 Antecendentes:... 9 I.2 Descripción del Proyecto:... 9 I.3 Justificación: I.4 Objetivos: I.5 Alcance: II FU DAME TOS TEÓRICOS: II.1 Evolución de los sistemas telefónicos II.2 Tipos de redes: II.2.1 Por alcance: II.2.2 Por medio de conexión: II.2.3 Por relación funcional: II.2.4 Por topología de red: II.2.5 Otros tipos de redes: II.3 Modelo TCP/IP II.4 Modelo OSI: II.5 Protocolos de transporte de VoIP: II.5.1 TCP: II.5.2 UDP: II.6 Protocolos de procesamiento de llamadas VoIP: II.6.1 H.323: II.6.2 SIP: II.6.3 IAX (Inter-Asterisk Exchange): II.6.4 Media Gateway Control Protocol (MGCP): II.7 CODECs: II.8 Arquitectura de una red de VoIP: II.8.1 Routers: II.8.2 Switch : II.8.3 Media gateways : II.8.4 ATA (Adaptador de teléfono Analógico): II.8.5 Servidores: II.9 QoS (Quality of Service): II.10 Amenazas contra VoIP: II.10.1 Denial of Service (DoS): II.10.2 Captura e intersección de llamadas: II.10.3 Mensajes SPAM: II.11 Seguridad aplicable a una red de VoIP: II.11.1 NAT (Network Address Translation): II.11.2 Autenticación de usuarios: II.11.3 Public Key Infrastructure (PKI): II.11.4 VPNs: II.11.5 Firewalls : III DESARROLLO:

7 III.1 Introducción: III.1.1 Investigación y Estudio: III.1.2 Dimensionamiento de la red: III.1.3 Diseño de la red de VoIP: III.2 Investigación y Estudio: III.3 Dimensionamiento de la red: III.4 Diseño de la red de VoIP: III.4.1 Arquitectura: III.4.2 Dispositivos para conexión de red: III.4.3 Codecs: III.4.4 Soluciones al problema NAT/Firewall: III.4.5 Manejo de llamadas: III.4.6 Seguridad de la red: III.4.7 Localización de servidores y terminales: III.4.8 Calidad de Servicio (QoS): III.4.9 Expansiones: IV EQUIPOS: IV.1 MODEMS: IV.2 Routers: IV.3 Switches: IV.4 Analog Telephone Adapter (ATA): IV.5 Puertos FXO (comunicación con PSTN): IV.6 Servidores: IV.6.1 Software PBX: IV.6.2 Localización de Servidores: IV.7 Terminales: IV.8 Número de equipos total por sede: V PROGRAMACIÓ Y CO FIGURACIÓ DEL SOFTWARE ASTERISK:. 75 V.1.1 Sip.conf: V.1.2 Iax.conf: V.1.3 Extensions.conf: VI PROTOCOLOS DE PRUEBAS Y RESULTADOS: VII CO CLUSIO ES Y RECOME DACIO ES: VIII REFERE CIAS BIBLIOGRÁFICAS:

8 Indice de figuras: Figura II 1 Puerto FXS y FXO Figura II 2 Tipos de redes según topología Figura II 3 Capas modelo TCP/IP Figura II 4 Modelo de capas OSI Figura II 5 OSI Vs. TPC/IP Figura II 6 Capas de protocolos de H Figura II 7 Registro SIP Figura II 8 Conexión a través de Proxy Server Figura II 9 Conexión a través del Redirect Server Figura II 10 Autenticación EAP Figura III 1 Esquema básico de la red VoIP Figura III 2 Dispositivos para conexión a la red de VoIP Figura III 3 Manejo de llamadas Figura III 4 Esquema de funcionamiento de DUNDi. (Tomado de [11]) Figura IV 1 STUN server Figura IV 2 Tarjeta TDM Figura IV 3 Tarjeta X100P Figura IV 4 Red de VoIP ACLA Overseas Figura VI 1 Registro y Comunicación en Internet Figura VI 2 Registro y Comunicación en una LAN Figura VI 3 Registro Servidores Asterisk vía IAX Figura VI 4 Registro y Comunicación de SIP phone (ATA) Figura VI 5 Manejo de llamadas IAX generadas desde un ATA Figura VI 6 Comunicación entre centrales de VoIP ubicadas detras de dispositivos NAT/firewall Figura VI 7 Manejo de llamadas hacia la PSTN Figura VI 8 Llamadas a la PSTN desde una central VoIP ajena al puerto FXO Figura VI 9 Comprobación de buen funcionamiento de IAX SoftPhone Figura VI 10 Manejo de llamadas desde un IAX SoftPhones en Internet Figura VI 11 Registro y manejo de llamadas de un IAX SoftPhone detras de un Router registrándose con servidor detrás de otro Router Figura VI 12 Comunicación entre dos SoftPhone IAX con ubicación remota Indice de Tablas: Tabla II 1 Prioridad de QoS Tabla IV 1 Especificaciones de diferentes Routers (Ver [13]) Tabla IV 2 Caracteristicas del Switch recomendado Tabla IV 3 Especificaciones de diferentes ATAs Tabla IV 4 Equipos por Sede

9 I I TRODUCCIÓ : I.1 Antecendentes: ACLA Overseas es una sociedad creada para ser especializada y dedicada a ofrecer servicios de Comercialización, Logísticos y Financieros, en el área de las américas y otros lugares del mundo. Habiendo iniciado sus actividades como una empresa de comercialización, su meta es ser la compañía latinoamericana líder y más importante en su campo, siendo sus principales negocios: Comercio (intercambio comercial), Logística- Transporte y Finanzas. La empresa cuenta con sedes en varias localidades de América, siendo Caracas, Sto. Domingo y Miami las más importantes. I.2 Descripción del Proyecto: Ensamblar un sistema de comunicación telefónica entre las diversas oficinas de la empresa ACLA Overseas y teléfonos fuera de esta, a través de la implementación de recursos basados en los sistemas de comunicación de voz sobre el protocolo de Internet (VoIP). El sistema de VoIP permite la transmisión de Voz sobre el protocolo de Internet, lo cual hace que sea un sistema de comunicación más económico y con un alcance tecnológico mayor que el que se puede encontrar en los sistemas de telefonía, tanto digital como analógica, de hoy en día. El sistema desarrollado debe ser tal que ofrezca servicios que antes no eran posibles de ofrecer por la telefonía tradicional, o al menos no a un bajo costo, como por ejemplo presencia permanente, asociación de varios terminales de llamadas a un solo número telefónico, redireccionamiento de llamadas dependiendo de la hora del día, etc. Igualmente se espera dejar abierta la posibilidad para ofrecer más servicios, así como permitir la utilización de la plataforma para incluir nuevas actividades que requieran comunicación a través de Internet. 9

10 I.3 Justificación: La empresa ACLA Overseas cuenta con oficinas en varias ciudades del continente y en ocasiones muchos de sus ejecutivos se encuentran viajando cumpliendo con actividades en ciudades donde no se encuentran usualmente y no es tan fácil ser ubicados. Por esta razón se quiere un sistema que mantenga interconectadas las líneas telefónicas de cada uno de los ejecutivos de la empresa en cada una de las oficinas de esta, de manera de tener una central telefónica a nivel mundial. Igualmente, la capacidad de poder enviar las llamadas entre los diversos países vía Internet abarata los costos de comunicación drásticamente. La red podría funcionar como puente, no solo para llamadas entre oficinas, sino para llamadas desde la red telefónica local de una ciudad a la red telefónica local de otra ciudad, dándole el poder, a los usuarios de la red de VoIP, de hacer llamadas internacionales al precio de una local. I.4 Objetivos: I.4.1 Diseñar una plataforma tecnológica que permita establecer un sistema de comunicaciones de Voz sobre IP para la empresa ACLA Overseas: a. Definir los algoritmos, protocolos y programas necesarios para establecer un sistema de Voz sobre IP. b. Definir el Hardware necesario para establecer un sistema de comunicación de Voz sobre IP. I.4.2 Instalar un sistema que permita realizarle pruebas al software y al hardware recomendado para establecer el sistema de comunicación de Voz sobre IP: a. Realizar pruebas de funcionamiento de un sistema de comunicación de VoIP basado en softphones. 10

11 b. Realizar pruebas de funcionamiento de un sistema de comunicación de Voz sobre IP basados en teléfonos analógicos adaptados al mundo de las redes basadas en el protocolo IP. c. Realizar pruebas de funcionamiento de enrutamiento de llamadas provenientes del sistema de VoIP hacia la red PSTN o de telefonía pública I.5 Alcance: Este proyecto contempla el diseño de una red de VoIP, sin embargo su instalación en cada una de las sedes de la empresa forma parte de un proyecto posterior. Este diseño contempla la evaluación de las diferentes opciones de protocolos y software que se tienen a la hora de establecer una comunicación de VoIP, y los diferentes equipos necesarios para manejar esa comunicación. Se realizó una selección de software y hardware para implementar la red, esta se hizo evaluando los aspectos operativos y funcionales que ofrecen cada uno de los programas y equipos que existen en el mercado. 11

12 II FU DAME TOS TEÓRICOS: II.1 Evolución de los sistemas telefónicos Desde sus inicios, el teléfono ha formado parte importante en la vida cotidiana como la principal herramienta de comunicación entre al menos dos puntos. Sin embargo, esta comunicación ha ido mejorando y evolucionando en sistemas que hace 20 años eran inimaginables que existieran. En un principio la telefonía la conformaban circuitos eléctricos sencillos y equipos capaces de transmitir y reconocer pulsaciones con ciertos elementos claves como switches, micrófonos y parlantes, entre otros. Son varios los elementos existentes detrás del teléfono y abarcaría un libro completo el nombrar y explicar como esos elementos se conjugan para prestar el servicio tan importante. Con el pasar del tiempo los sistemas analógicos han ido cediendo ante sistemas más avanzados, y con la llegada era digital se mejoraron tanto los equipos y los sistemas de comunicación. Los sistemas digitales integraron una gran variedad de funciones a la telefonía, llamada en espera, identificador de llamadas, llamada en conferencia, son unos de los elementos más importantes. Aunque ajeno a la digitalización, la aparición de sistemas automáticos de enrutamiento de llamadas y de switches ha facilitado la evolución de la telefonía hacia un elemento básico del día a día. Igualmente permitieron la aparición de las conocidas centrales telefónicas privadas o PBX, la cuales permiten la conexión de varios terminales, dándoles la capacidad para comunicarse entre si y con la red de telefonía pública (PSTN) con el uso de pocos troncales, es decir, una conexión por la cual pueden comunicarse varios equipos de una red con una red de mayor tamaño. Cuando se trata lo que es la conexión en sí, hay que hablar de dos elementos básicos, los puertos FXO (foreign exchange office) y FXS (foreign exchange station). Los puertos FXO serían (olvidando los cables) los puntos a los cuales el teléfono se conecta con la red telefónica y el puerto FXS es el puerto que recibe la conexión del teléfono, en la figura (Figura II 1) se puede entender mejor lo explicado. Más adelante se estará hablando con más detalle acerca de este tipo de conectores. 12

13 Figura II 1 Puerto FXS y FXO Como hemos visto la aparición de nuevas tecnologías han apoyado la evolución de los sistemas telefónicos, y en el caso de la telefonía IP el principal impulsor fue el aumento de las velocidades de conexión de la redes de computadoras, como Internet. En los sistemas de comunicación de VoIP está implícito el mundo de las conexiones de redes, ya que toda comunicación de voz que se haga vía IP tiene que ser transmitida a través de diversos tipos de redes y con el uso de diferentes tipos de protocolos. A continuación se hace una reseña de los tipos de redes existentes, más adelante se abordara el tema de los protocolos existentes para una comunicación IP. II.2 Tipos de redes: Como es sabido, una red esta formada por un conjunto de computadoras y dispositivos conectados de manera que puedan intercambiar datos. Sin embargo, la forma como se conectan define tanto su seguridad como las cantidades de personas que se pueden comunicar. A continuación se explican varios de los tipos de redes existentes dependiendo de sus características principales. II.2.1 Por alcance: Red de área personal (PAN): Esta red esta formada por diversos dispositivos con capacidad de conexión e intercambio de datos que están agrupados cercanos al punto de acceso y en pocos metros de distancia. 13

14 Red de área Local (LAN): Un poco más grande que las PAN, este tipo de red permite la interconexión de dos o más computadoras o dispositivos de red que están limitados a espacios de pocos kilómetros, por lo general oficinas, edificios o fabricas. Red de área Metropolitana (MAN): Son redes conectadas a través de la Banda Ancha y que cubren un terreno bastante amplio, del tamaño de una ciudad o eventualmente de un estado o país dependiendo de los requerimientos. Red de área Amplia (WAN): Este tipo de red es capaz de cubrir distancias tan grandes como un país o un continente, la más importante de estas redes la podemos encontrar en Internet, también es utilizada por los proveedores del servicio de Internet para ofrecer conexión a sus clientes. II.2.2 Por medio de conexión: Medios guiados: Cable coaxial, par trenzado de cobre, fibra óptica, etc. Medios No-Guiados: Radio, Microondas, Infrarrojo y demás medios inalámbricos. II.2.3 Por relación funcional: Cliente-Servidor: En este esquema, un cliente hace una petición al servidor y luego este responde o no a la petición Persona a Persona: Es una conexión entre dos nodos con igual jerarquía, entre los cuales existe un intercambio de datos. 14

15 II.2.4 Por topología de red: Red de Bus. Red de Anillo. Red de Estrella. Red de Malla. Red de Árbol. Red Mixta. Todas estas redes se pueden explicar fácilmente con una figura: Figura II 2 Tipos de redes según topología. (Tomada de [26]) II.2.5 Otros tipos de redes: También existen otros tipos de redes que aun no han sido clasificadas, sin embargo para este trabajo es de mucha importancia, estas son la redes virtuales, tanto las Redes Virtuales de Área Local (VLANs) y las Redes Privadas Virtuales VPNs. VLAN: Son redes que funcionan como una red de área local aunque las computadoras y periféricos no estén conectados al mismo cable. Sin embargo mantiene todas las funciones de una LAN. 15

16 VPNs: Las VPNs son redes que se pueden llamar seguras. Estas tienen diversos tipos de protocolos para poder manejar quien es admitido o no a entrar a la red. Dependiendo del nivel de seguridad y del tipo de software utilizado para su manejo se dividen en VPN seguras y VPN fiables. Ya que sabemos como pueden ser los tipos de redes, vamos a mostrar como están modelados los dispositivos que las conforman. II.3 Modelo TCP/IP Es una familia de protocolos en los cuales esta basado la Internet. Se origino con el propósito de conectar diferentes redes construidas y manejadas por diferentes entidades, y generar una especie de red de redes (Internet). En la figura podemos ver cada una de las capas que conforman al modelo TCP/IP Figura II 3 Capas modelo TCP/IP Capa Física: Se refiere al enlace y a las características del enlace físico existente entre dos computadoras, es decir, conectores, cables, longitudes de onda, distancia máxima que puede ser recorrida por la onda, potencia, etc. 16

17 Enlace: Es la capa encargada de proveer los recursos para que la información fluya sin errores entre dos nodos de una red. Junto con la capa anterior se le conoce como capa de acceso a al red. Internet o capa de red: Es la capa que provee la ruta por la cual los paquetes viajaran para llegar a su destino físico, esto gracias a la dirección MAC (Media Access Control) existente en cada una de la tarjetas de red. Utiliza el protocolo IP como principal herramienta. Transporte: Se encarga de enviar la información libre de errores entre la maquina de origen y la maquina de destino. La transmisión de los datos de ser confiable y económica. Utiliza los protocolos TCP (Transmission Control Protocol) para conexiones orientadas y UDP (User Datagram Protocol) para comunicaciones no orientadas a conexión. o TCP: Es utilizado por los programas dentro de una red para realizar conexiones directas y establecer un intercambio de datos. El protocolo garantiza que los datos serán entregados en su destino sin errores y en el mismo orden en que se transmitieron. También proporciona un mecanismo para distinguir distintas aplicaciones dentro de una misma máquina. o UDP: Es utilizado para el envió de datagramas sin que se haya establecido una conexión, los paquetes enviados por este protocolo pueden llegar en desorden y no se genera un acuse de recibo ni tampoco si ha habido errores en la transmisión. Es menos confiable que el protocolo TCP pero mucho más rápido, lo que lo hace una herramienta importante en las sesiones de VoIP. 17

18 Aplicación: Es la capa final y en la que se realiza la comunicación efectiva entre dos computadoras. Maneja los protocolos de alto nivel, aspectos de representación, codificación y control de dialogo. Entre otros, los protocolos que forman a esta son TCP, TFTP (Trivial File Transfer Protocol), NFS (Network File System), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) y Telnet. II.4 Modelo OSI: Este modelo teórico se utiliza para representar la interconexión entre las diferentes capas por las que esta formada una computadora en una red de datos, así como los diferentes protocolos asociados a ellas. Los protocolos de una capa procesan la información suministrada por los protocolos de la capa inferior y la entregan a una capa superior. Básicamente lo que se busca con este modelo es mostrar la interconexión existente entre cada protocolo y que los productos de proveedores de diferentes pueden ser compatibles. A continuación mostramos las capas que forman a este modelo. Figura II 4 Modelo de capas OSI. Cada una de estas realiza una función similar a las que realizan las capas del modelo TCP/IP que vimos anteriormente y el cual si representa realmente como esta conformada una computadora en una red de datos. La figura que mostramos a continuación muestra la relación entre las capas de los modelos que acabamos de nombrar. 18

19 Figura II 5 OSI Vs. TPC/IP Ahora que hemos hablado acerca de lo que es una red, sus tipos, los componentes de una computadora en una red y sus protocolos, debemos hacer énfasis en los protocolos utilizados en el mundo de la comunicación de VoIP. II.5 Protocolos de transporte de VoIP: En el mundo de las comunicaciones de voz vía IP tenemos 2 protocolos básicos para el transporte de la información: II.5.1 TCP: Como se dijo anteriormente, el protocolo TCP es un protocolo de transporte el cual se encarga de establecer el control de errores durante la transmisión de datos en una sesión. Igualmente asegura que los paquetes lleguen en el orden en que han sido enviados. En el esquema de comunicaciones VoIP TCP tiene la función de establecer un modo confiable de transporte de las señales control y data para establecer una sesión de voz, veremos mas adelante que dependiendo del protocolo de VoIP utilizado, bien sea SIP o H.323, en la 19

20 capa de transporte también actúan otros protocolos para establecer el control de la llamada. II.5.2 UDP: Al igual que TCP actúa en compañía de otros protocolos, sin embargo mantiene su función principal, el envió de pequeños paquetes de información de manera rápida. Como vimos anteriormente este protocolo no asegura que los paquetes lleguen sin errores ni siquiera asegura que hayan llegado, sin embargo debido a su rapidez y al poco manejo que le hace a la información este protocolo es el perfecto para enviar los paquetes de voz, los cuales deben llegar rápido y sin retrasos. II.6 Protocolos de procesamiento de llamadas VoIP: II.6.1 H.323: El protocolo H.323 permite que dispositivos diferentes logren comunicarse efectivamente uno con el otro, sin importar la empresa fabricante, en redes basadas en IP. Este protocolo permite comunicación de audio y datos en tiempo real. II Arquitectura H.323: El protocolo H.323 designa algunos elementos básicos para establecer una sesión de VoIP. Terminales: Como su nombre lo indica, son los puntos en donde termina la comunicación y con os cuales el usuario interactúa, pueden ser teléfonos, softphones, video cámaras, etc. Gateways : Los gateways manejan la señalización entre dos elementos incompatibles, sirve de interprete entre redes diferentes o entre protocolos diferentes, aunque es un elemento opcional, es muy importante a la hora de analizar las funciones que se le quieren dar un sistema de comunicación de voz sobre IP. Por ejemplo, este tipo de dispositivos es capaz 20

21 de conectar una llamada de VoIP con la PSTN o permite traspasar una llamada manejada con H.323 a un dispositivo que funciona con protocolo SIP, el cual veremos mas adelante. Gatekeepers : Este tipo de dispositivo se encarga de registrar y manejar las direcciones IP de los usuarios que se registran a la red. Tiene como principal función la traducción entre una dirección IP y una dirección simbólica. También tiene la función de controlar los gateways conectados a la red y utilizarlos para hacer más eficiente el enrutamiento de las llamadas. II Protocolos utilizados por H.323: El protocolo H.323 además de utilizar los protocolos de transporte TCP y UDP utiliza otros 5 protocolos para manejar el transporte y la señalización de las llamadas de VoIP así como un CODEC para procesar la voz y digitalizarla. Figura II 6 Capas de protocolos de H.323 H.245: Especifica los mensajes que serán utilizados para negociar las capacidades del terminal, la relación Amo/Esclavo y el canal de comunicación lógico por el cual se transmitirán las ráfagas de datos. H.225/Q.931: Define la señalización para establecer y colgar la llamada, incluyendo la dirección de destino ID, puertos, código de país, y el puerto para H

22 H.225/RAS: Específica el mensaje que describirá la señalización, también provee el estatus de registro y admisión (RAS), y la información del stream de datos. Real Time Transport Protocol (RTP): Define el formato de transporte cliente a cliente de la data en tiempo real. Real Time Control Protocol (RTCP) Realiza el monitoreo de la entrega de datos y calidad del servicio con la que se están entregando los datos (QoS). II Etapas de la comunicación en H.323: Señalización H.225/Q.931: El protocolo H.225 define dos importantes etapas para establecer una llamada: la señalización y el RAS. Parte de los mensajes de señalización de Q.931 son utilizados para iniciar la conexión, por la que se transmitirá la data en tiempo real, entre los terminales H.323. El canal para transmitir la información se establece entre terminal-gateway, gateway-gateway o gateway-gatekeeper, y no se puede abrir otro canal hasta que este esté establecido. En caso de no haber ni gateway ni gatekeeper el canal se abre directamente entre los terminales. Toda esta etapa está desarrollada por el protocolo TCP RAS al contrario de Q.931 utiliza el protocolo UDP y como dijimos anteriormente se encarga de realizar el registro y control de admisión de un gatekeeper con un terminal. Sin embargo, de ser una conexión directa entre dos terminales, el RAS no se implementa y se abren dos canales entre los terminales, uno para Q.931 y otro para H.245. Para establecer una conexión segura para enviar los mensajes de H.245 varios mensajes de Q.931 deben suceder (mientras pasa esto el teléfono del terminal que esta siendo llamado repica), y todo el intercambio finaliza cuando se descuelga el teléfono. Mensajes de control H.245: Luego de que se establece la llamada por los procesos de señalización H.245 se encarga de decidir el tipo media para la llamada, cuales son las capacidades de cada terminal, codecs, relación Amo/Esclavo y establecer el flujo de media antes de que se 22

23 inicie la llamada. La dirección de transmisión del H.245 esta definida por el proceso del H.225/Q.931 y el puerto TCP se abre cuando la información esta completa. Real Time Transport Protocol : En esta etapa de la llamada, la voz es procesada por los CODECs y la ráfaga de audio es transmitida por Internet mediante el uso de RTP. Aquí es necesario utilizar el RTCP para controlar los servicios utilizados por RTP. Básicamente el RTCP se encarga de dar un feedback de la calidad de la transmisión de los datos. II.6.2 SIP: El protocolo SIP es un protocolo que provee un número importante de funciones necesarias para comunicar dos personas. Su principal atributo es que permite que los usuarios reporten su disponibilidad para ser contactados, así como su ubicación dentro de la red y las capacidades de los equipos utilizados. Igualmente permite la utilización del servicio de mensajería instantánea y es el protocolo más utilizado en programas que proveen esa herramienta. Aunque que SIP no provee todas las funciones para establecer su servicio de comunicación, es parte importante en la comunicación entre dos o más componentes. La gran ventaja que tiene SIP es que es capaz de conectar a usuarios propensos a cambiar su ubicación, los equipos con los que se conectan, sus direcciones, nombres o hasta el modo de comunicación (voz, video, mensajería, etc.), lo que hace necesario el uso de protocolos diferentes. Para lograr todo esto SIP trabaja con varios componentes de red para identificar, localizar y comunicar a cada terminal. Como hay un gran numero de protocolos utilizados par transportar la data, SIP trabaja por encima de ellos comunicando equipo localizados en cualquier lugar de la red. SIP basa su éxito en la simplicidad con la que trabaja, es similar al protocolo HTTP en que se basa en ASCII para su funcionamiento, igualmente, como veremos más adelante, SIP es un protocolo de petición-respuesta, en el cual un terminal le solicita a un servidor un tipo de petición o servicio y este le da una respuesta especifica. Después de que se establece la comunicación los demás protocolos que funcionan por debajo de SIP 23

24 se encargan de manejar la data y llevarla de un usuario a otro. Igual que HTTP utiliza URIs (Universal Resource Identifier) para localizar a los usuarios dependiendo de su nombre dentro de una base de datos y no de una dirección IP dinámica como H.323. Para esto las direcciones utilizadas por SIP son parecidas a las utilizadas como direcciones de , se tiene el nombre del dominio donde esta ubicada la cuenta y un nombre de usuario para ubicarlo dentro del dominio. Por ejemplo, aquí sabemos que la cuenta de usuario esta ubicada en el dominio dominio, siendo así más fácil ubicar a cada cliente para ser contactado utilizando su nombre o numero de teléfono. Cada nombre de usuario y número de teléfono debe ser único, en razón de poder ubicar a una persona específica en la red. Todos los nombres de usuario están guardados en un servidor y el se encarga de indicar quien esta o no disponible para ser contactado. II Funciones y servicios de SIP: SIP fue diseñado para tener 5 elementos básicos para establecer y colgar sesiones de comunicación. Estos elementos son: Localización de Usuarios: La capacidad de localizar a los usuarios requiere la habilidad de trasladar la dirección IP del terminal al nombre o alias del usuario. Esto debido a que como sabemos cada vez que un dispositivo se desconecta y se conecta a la red su dirección IP cambia (gracias a DHCP). Para contrarrestar este hecho, el usuario de SIP se registra con un servidor, proveyéndole su nombre de usuario y su dirección IP, así cuando alguien quiera contactar a ese usuario, solo basta con pedirle al servidor la dirección asociada a su nombre. Luego de que se hayan intercambiado las direcciones de los usuarios un servidor Proxy se utiliza para direccionar las peticiones de comunicación desde el servidor hacia la dirección del agente a contactar. Disponibilidad del Usuario: Esta función del SIP se corresponde a la habilidad que tiene el protocolo para reportar si uno o varios usuarios están disponibles para ser contactados. Un usuario puede utilizar esta función para reportar que está ocupado o alejado de la computadora, o para reportar las capacidades o tipos de comunicación disponibles en ese momento. 24

25 Capacidades del Usuario: Determinar las capacidades del usuario significa determinar que programas y dispositivos están disponibles para ser usados en cada terminal durante una sesión. Por ejemplo si se quiere establecer una video-conferencia, la función de Capacidad de Usuario determina si cada terminal tiene el software o el hardware requerido para tal tarea y lo informa a los demás, en razón de establecer los parámetros utilizados para la comunicación. Establecimiento de sesión: Esta función aparece a la hora de que los participantes se comunican entre si. El terminal del usuario al cual se está llamando hará una notificación de que una llamada está entrando. Se puede aceptar o no la llamada, de ser aceptada se establece la sesión con los parámetros acordados y comienza la comunicación entre los usuarios. Manejo de Sesión: Es la función final de SIP, se utiliza para modificar la sesión mientras esta establecida o en uso. Por ejemplo, poner llamadas en espera después que se haya estado hablando, cambiar de conferencia de voz a videoconferencia o viceversa, agregar personas a un llamad, etc. Este tipo de operaciones las realiza el Manejo de Sesión de SIP. II Arquitectura de un sistema SIP: Como hemos dicho SIP requiere la ayuda de otros protocolos para funcionar correctamente, de igual manera existe un número de dispositivos importantes que cada participante debe utilizar para establecer una sesión de VoIP. Agentes Usuarios (User Agents): Los UA son los terminales utilizados para la comunicación. Existen dos tipos de User Agentes, el agente que realiza la petición para una conexión se le denomina Cliente (UAC) y el que se encarga de responder la petición se le denomina Servidor (UAS). Debido a que en una sesión SIP los mensajes son enviados y respondidos por cada terminal, el rol cada uno de ellos se intercambia, convirtiéndose alternadamente en UAS o UAC. 25

26 Servidor SIP: Esta formado por las computadoras ubicadas en la red que se encargan de prestar los servicios para establecer las conexiones y actúa de manera diferente de acuerdo a la tarea que realice, a continuación mostramos las funciones de un servidor SIP. Registar Server (servidor de registro): Cuando el servidor SIP se comporta como Registar, su función es la de registrar cualquier UA que se conecta a la red. Se encarga de asociar la dirección IP con su nombre de usuario en el sistema, creándose así un directorio de las personas que están conectadas y disponibles, y su ubicación. Cuando alguien quiere contactar a alguna de estas personas, se consulta al Registrar Server para conocer su ubicación. Proxy Server (servidor Proxy): Como sabemos, los servidores Proxy son computadoras ubicadas dentro de una red con la misión de realizar tareas en nombre de otras computadoras. En el caso de SIP no es muy diferente, actuando como Proxy Server, el SIP Server tiene la función de direccionar peticiones a otros SIP Server que las puedan manejar y de allí al cliente que se quiera contactar. Igualmente prestan la función de control de acceso a la red, seguridad, autenticación y autorización. Redirect Server (servidor de direccionamiento): Este tipo de servidor se encarga de direccionar clientes directamente hacia los UA que están tratando de contactar, es decir, si un UA hace una petición de conexión, el Redirect Server le responde con la dirección IP del Usuario a quien se quiere contactar, así la gestión de conexión se hace directamente entre los agente. El Redirect Server también puede enviar la llamada a varios lugares y simultáneamente, y en lugar donde se atienda primero la llamada se establecerá la conexión. El procedimiento a través del cual un agente se conecta a la red y establece comunicación con otro es el siguiente: 26

27 o Registro SIP: El primer paso es registrarse. Figura II 7 Registro SIP Luego de registrarse se puede seguir uno de estos pasos: o Conexión a través de un Proxy Server: Figura II 8 Conexión a través de Proxy Server 27

28 o Conexión a través de un Redirect Server: Figura II 9 Conexión a través del Redirect Server Luego de haber establecido la conexión entre los participantes la arquitectura cambia a peer-to-peer (p2p), cada uno de los User Agents intercambian roles de servidor y cliente de acuerdo a si reciben o envían peticiones. Igualmente, de la misma manera como se vio anteriormente, se pueden agregar mas participantes a la conversación y cada uno establecerá una relación p2p con los otros. II Protocolos utilizados por SIP: Los protocolos utilizados por SIP para establecer, mantener y colgar una sesión son los siguientes: UDP: Ya mencionado anteriormente, se encarga de transportar datagramas y al igual que en H.323 es muy importante este protocolo debido a su rapidez, aunque su fiabilidad es 28

29 poca, en comunicaciones de voz la perdida de algún paquete no es tan importante. En caso de que la confiabilidad fuese un problema, entonces es necesario utilizar TCP. Transport Layer Security: El TLS es utilizado en compañía de otros protocolos, como UDP, para ofrecer seguridad entre aplicaciones que se estén comunicando a través de una red de IP. Utilizando TLS se establece una conexión segura, al autentificar al cliente y al servidor o al UAS y al UAC, y luego encriptando la información que ellos intercambian. Otros protocolos: Como sabemos SIP necesita de otros protocolos para enviar datos multimedia a través de una red, entre los protocolos utilizados para transportar datos, controlar las ráfagas de media y prestar otros servicios como Caller ID o conectarse a la PSTN, tenemos: o Session Description Protocol (Protocolo de Descripción de Sesión): Protocolo utilizado para enviar la descripción de la información que sea necesaria para establecer el envío de datos a través de la red. o Real Time Transport Protocol (RTP): Utilizado para enviar datos en tiempo real a través de la red. En la cabecera de cada paquete se le da la información al UA receptor de cómo se debe reconstruir el paquete, así como el codec a utilizar. o Media Gateway Control Protocol: este protocolo es utilizado para controlar los gateways que permiten el acceso a la rede PSTN y viceversa. o Real-Time Streaming Protocol: Protocolo que se utiliza para controlar el envío de las ráfagas (streams) de media en la red. A través de él se pueden enviar comandos que controlan la reproducción de media. Por ejemplo, play, pause, stop, etc. II.6.3 IAX (Inter-Asterisk Exchange): Es un protocolo desarrollado por DIGIUM para la comunicación de centrales Asterisk. DIGIUM es la empresa patrocinante de Asterisk y el hardware creado por ellos 29

30 se basa en ese protocolo. Su función es manejar las llamadas que se hacen entre dos servidores Asterisk y entre servidores y clientes que utilizan IAX. Es muy simple y permite manejar grandes cantidades de Codecs y un gran numero de streams (ráfagas de datos), lo que hace útil para transportar cualquier tipo de datos, su principal uso está en la prestación del servicio de conferencias multimedia. El principal objetivo de IAX ha sido minimizar el ancho de banda utilizado en la transmisión de voz y vídeo a través de la red IP, con particular atención al control y a las llamadas de voz y proveyendo un soporte nativo para ser transparente a NAT (Network Address Translation), mas adelante veremos de qué se trata NAT. La estructura básica de IAX se fundamenta en la multiplexación de la señalización y del flujo de datos sobre un simple puerto UDP entre dos sistemas. Cada elemento IAX participante en la red debe registrarse con sus contrapartes, de manera de ser localizables en cualquier momento. Como se dijo utiliza solo un puerto UDP para establecer la comunicación, por allí se envía tanto la data como los mensajes de señalización para establecer una sesión. II.6.4 Media Gateway Control Protocol (MGCP): MGCP es un protocolo de control de dispositivos, donde un gateway esclavo (MG, Media Gateway) es controlado por un maestro (MGC, Media Gateway Controller, también llamado Call Agent). Es un protocolo interno de VoIP cuya arquitectura se diferencia del resto de los protocolos VoIP por ser del tipo cliente servidor. Está compuesto por: un MGC, Media Gateway Controller. uno o más MG, Media Gateway. uno o más SG, Signaling Gateway. Un gateway tradicional, cumple con la función de ofrecer conectividad y traducción entre dos redes diferentes e incompatibles como lo son las de Conmutación de Paquetes y las de Conmutación de Circuitos. En esta función, el gateway realiza la conversión del flujo de datos, y además realiza también la conversión de la señalización, bidireccionalmente. MGCP separa conceptualmente estas funciones en los tres elementos previamente señalados. Así, la conversión del contenido multimedia es realizada por el MG, el control 30

31 de la señalización del lado IP es realizada por el MGC, y el control de la señalización del lado de la red de Conmutación de Circuitos es realizada por el SG. MGCP introduce esta división en los roles con la intención de aliviar a la entidad encargada de transformar el audio para ambos lados de las tareas de señalización, concentrando en el MGC el procesamiento de la señalización. II.7 CODECs: Entre los codecs más utilizados por los sistemas de VoIP encontramos: G.711: También conocido como PCM (Pulse Code Modulation) es uno de los CODECs más antiguos, es el codec utilizado por las redes de telefonía pública (PSTN). No utiliza compresión, por lo que la calidad de la voz es excelente, sin embargo el ancho de banda requerido es bastante alto: 64 Kbps G.723.1: Este CODEC fue diseñado para video videoconferencia telefónica, la calidad de la voz es media. G.726: También conocido como Adaptative Differential Pulse Code Modulación (ADPCM), es un codec capaz de utilizar varios anchos de banda de acuerdo a los requerimientos de calidad, sin embargo se utiliza mayormente para un ancho de banda de 32 Kbps, también existe en 16 Kbps y 24 Kbps. Cuando es utilizado en 32 Kbps la calidad de la voz es muy parecida a la ofrecida por el G.711 pero utilizando la mitad del ancho de banda, esto se debe a que la información enviada no es el resultado completo de la cuantización sino la diferencia entre la muestra actual y la anterior. El requerimiento de procesamiento computacional es bajo. G.729: Es el CODEC mas utilizado por los sistemas de voz sobre IP debido a que el requerimiento de ancho de banda es menor, solo 8 Kbps. Sin embargo para poder utilizar este codec hay que pagar por una licencia. 31

32 GSM: A diferencia del G.729 la utilización del GSM es gratis, ofreciendo una calidad de voz bastante buena considerando el peso de procesamiento puesto sobre el CPU. Utiliza un ancho de banda de 13 Kbps. ilbc (internet Low Bitrate Codec): Es un codec relativamente nuevo, el cual ofrece una buena relación de calidad de voz, ancho de banda y manejo del CPU. Aunque es gratis, el dueño de la patente (Global IP Sound) requiere informes de cuando y como se esta utilizando el codec. No es muy famoso en los sistemas de VoIP y no es soportado por muchos dispositivos IP, trabaja en 13 Kbps o 15 Kbps. Speex: Este codec es VBR (Variable BitRate), es capaz de adaptarse a las condiciones cambiantes de la red y de allí manejar el ancho de banda utilizado, puede ir de 2,15 Kbps a 22,4 Kbps. II.8 Arquitectura de una red de VoIP: Luego de haber visto algunos protocolos que se pueden utilizar para establecer una sesión de VoIP vamos a mostrarles los dispositivos básicos que se deben encontrar en una de comunicación VoIP. II.8.1 Routers: Cuando hablamos de Routers estamos hablando de dispositivos encargados de conectar y comunicar dos o más redes con la idea de que se produzca un intercambio de información entre ellas. Se encargan de trabajar en capa 3 enrutando cada paquete de información enviado de una computadora dentro de una red a la red en donde se ubica la computadora que se quiere contactar. II.8.2 Switch : Un switch es un dispositivo que actúa parecido a un router en el sentido de que direcciona paquetes de información, al contrario del router, generalmente se cree que el switch tiene la función de enviar o dirigir la información dentro de una red. Decimos generalmente porque un switch puede estar ubicado en 4 de las capas del modelo OSI y de acuerdo a su ubicación han tener uno u otro nombre, por ejemplo, un router es un 32

33 switch de capa 3. Sin embargo, en la mayoría de las veces que se implementa un switch, lo encontramos conectados entre el router y el terminal. II.8.3 Media gateways : Como hemos visto antes un Media Gateway se encarga de la compatibilidad de diferentes protocolos en una interconexión de redes. Bien sea hacer compatible una llamada entre un teléfono IP y la PSTN, o una llamada de un telefono IP basado en el protocolo SIP y otro basado en H.323. II.8.4 ATA (Adaptador de teléfono Analógico): El ATA es una especie de Media Gateway, este dispositivo se encarga de conectar y hacer compatibles a un teléfono analógico estándar con un sistema digital o no estándar de telefonía, como lo es VoIP. El ATA mas común lo podemos encontrar en el adaptador utilizado para conectar un teléfono analógico a la red de datos IP, tiene un puerto FXS de un lado para conectar el teléfono y un puerto ethernet del otro para conectarse a la red. II.8.5 Servidores: Los servidores se encargan de contener y ejecutar todo el software necesario para procesar y guardar la información que viaja y se distribuye en una red. En el caso de los sistemas de VoIP el servidor puede actuar como disco duro para mantener una base de datos y grabar las llamadas, como media gateway e incluso como una PBX que se encargue de comunicar los diferentes terminales que actúan como teléfonos dentro de la red local. II.9 QoS (Quality of Service): En el ambiente de las comunicaciones de VoIP un punto muy importante, quizás el más importante, es la calidad de la comunicación, y VoIP tiene requerimientos bastantes altos al respecto. Los factores que afectan la calidad de la transmisión de datos es diferente a la que afecta a la transmisión de voz, como por ejemplo el retardo, pequeños retardos en la transmisión de datos no causan el mismo efecto que algún tipo de retardo 33

34 en una comunicación de voz. Hay tres factores importantes y por los cual se determina o se mide la calidad del servicio, estos son: Latencia: La latencia es la suma de retardos temporales dentro de una red, básicamente generados por la necesidad que tiene la información de pasar por varios nodos de seguridad, lo que hace que el tiempo que dura el paquete en llegar a su destino sea mayor. Los principales generadores de latencia son: Firewall/NAT traversal, negociación de las listas de control y encriptaje/desencriptaje. Jitter (retraso errático de paquetes): Básicamente son retrasos o cambios en las características de la señal mayormente generados por la gran cantidad de dispositivos de enrutamiento por los cuales debe pasar la información antes de llegar a su destino final. Perdida de paquetes: Como su nombre lo indica, esta medida se refiere al número de paquetes que luego de haber sido enviados no pudieron llegar a su destino. Por lo general la perdida de paquetes es causada por la clase de routers o firewalls utilizados, ya que alguno de ellos no están programados o no fueron creados para asegurar una calidad de servicio o QoS, lo que genera que los servicios prestados de acuerdo a los requerimientos de la sesión no sean los apropiados. Para evitar este tipo de defectos en la transmisión de los datos, existen ciertas tácticas utilizadas por los dispositivos de enrutamiento que permiten tener un servicio de la calidad deseada basándose en niveles de prioridad. A continuación se presenta una tabla que muestra los niveles de prioridad en una conexión con requerimientos de QoS. 34

35 Tabla II 1 Prioridad de QoS Existen muchos protocolos que implementan las tácticas necesarias para asegurar la calidad de servicio. Entre los más importantes tenemos: Differentiated Services (Diffserv): Diffserv al igual que la mayoría de los protocolos de QoS agrega un paquete al encabezado de la dirección IP. En el caso de Diffserv, de acuerdo al código del paquete, se participa que se servicios son necesarios para reproducir la información. Dándole prioridad a elementos como audio y video, relegando a un puesto menos prioritario a tareas comunes de Internet. 35

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