UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

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2 UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL DIRECCIÓN GENERAL DE POSGRADOS MAESTRÍA EN TELEINFORMÁTICA Y REDES DE COMPUTADORAS Trabajo de grado para la obtención del título de: Máster en Teleinformática y Redes de computadoras REDISEÑO DE LA RED DE DATOS DEL SECAP DE QUITO, PARA PROPORCIONAR EL SERVICIO DE VOZ SOBRE IP Autor: Edwin Guillermo Tufiño Mateus Director: Ing. Fredy Lemus Msc. Quito, Ecuador Abril-2009

3 DECLARACIÓN Yo, Edwin Tufiño, declaro bajo juramento que el trabajo descrito a continuación es de mi total autoría, que no ha sido presentado anteriormente para ningún grado o trabajo profesional y que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración, cedo mis derechos correspondientes de propiedad intelectual de este trabajo a la Universidad Tecnológica Equinoccial, según lo establecido por la ley de propiedad intelectual, por su reglamento y por la normatividad institucional vigente. CI

4 CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado, en su totalidad, por Edwin Tufiño Mateus bajo mi supervisión. Atentamente, Ing. Fredy Lemus Director de tesis

5 AGRADECIMIENTOS A Dios, por estar siempre presente en mi vida. Al Ing. Fredy Lemus, por su magnífica dirección y oportunas sugerencias.

6 DEDICATORIA A mi esposa, por su eterna comprensión y apoyo durante todo este tiempo; te amo Zelmita. A mis queridos hijos, por ser puntales en mi vida, y para que sepan que toda meta es realizable. A mis queridos padres, por estar pendientes siempre de mí.

7 CONTENIDO Resumen 1 Abstract 2 Capítulo Planteamiento, formulación y sistematización del problema Objetivo general, objetivos específicos Justificación del tema Alcance Marco de referencia, teórico, conceptual, temporal, espacial y otros Hipótesis general y específicas Estrategia metodológica 10 Capítulo 2.- Telefonía IP Qué es la telefonía IP? Requerimientos mínimos para el transporte de voz Problemas de retardo en los paquetes de voz Solución a problemas de retardo Estándares Ventajas de voz sobre IP en redes de datos Desventajas de voz sobre IP en red local. 39 Capítulo 3.- Switch y Ruteadores Tecnología de switch. 41

8 3.2.- Tecnología de ruteador Dónde usar switch? Dónde usar ruteador? Segmentación con switches y ruteadores Diseño de redes para grupos de trabajo Ambientes de backbone Diseño para acceso a WAN Futuro de los switches y routers.. 63 Capítulo 4.- Cableado estructurado Ventajas Elementos de un sistema de cableado estructurado Consideraciones de diseño Sistema de puesta a tierra y puenteado Categoría de cableado.. 92 Capítulo 5.- Red actual Análisis de la tecnología de red Estado actual de la red de datos del SECAP Análisis FODA Capítulo 6.- Propuesta de red Por qué invertir en una nueva red cableada? Descripción preliminar de la red Rediseño de la red de datos del SECAP Fases de implementación Capítulo 7.- Diseño detallado de red para el SECAP Premisas de diseño. 140

9 7.2.- Diseño detallado Cálculo del ancho de banda Estudio de alternativas de implementación 179 Capítulo 8.-Implementación Plan de implementación y migración Diagrama de Gantt Testimoniales de implementación Análisis de costos 208 Capítulo 9.- Conclusiones y Recomendaciones Conclusiones Recomendaciones 214 Bibliografía 217 Anexo 220

10 ÍNDICE DE FIGURAS 2.1. Elementos de una red VoIP Componentes de telefonía IP Pila de protocolo H Función principal del switch Función principal del ruteador Ejemplo de competencia por el medio y segmentación, utilizando switch Ejemplo de segmentación de dominio, utilizando switch Red segmentada por un switch en dos dominios Red segmentada por un ruteador en dos dominios diferentes Ambientes de grupos pequeños de trabajo en una red interna Solución 1. Diseño de red para pequeños grupos de trabajo, utilizando ruteador Solución 2..Diseño de red para grupos de trabajo utilizando switch Ejemplo de grupo de trabajo departamental Red segmentada físicamente por un ruteador Segmentación lógica de una red Ejemplo de backbone colapsado Ejemplo de enlace de alta velocidad y baja densidad Switch LAN de alta velocidad en la central de datos Construcción de red de alta densidad con enlace de alta velocidad a la central de datos.. 60

11 3.17. Construcción de backbone redundante, utilizando ruteadores Ejemplo de utilización de ruteadores en una red WAN Elementos de un sistema de cableado estructurado Distribución central de cableado estructurado Cableado horizontal Conexiones T568A y T568B Conector tipo 568SC Dispositivos de múltiples conectores de telecomunicaciones Puntos de consolidación Conectores de fibra óptica 568SC Principales amenazas en redes inalámbricas Red actual de datos del SECAP Direccionamiento Administración Central Red WAN del SECAP Distribución de terminales en cada rack Cableado estructurado SECAP (Administración Central) Topología cableado estructurado SECAP Solución de telefonía IP del SECAP Red de datos y telefonía IP Teléfono IP gama baja Teléfono IP gama media Teléfono IP gama alta Estudio de implementación Servidor 3Com NBX Switch catalyst 4000 de 3, 6 y 7 slot

12 8.1. Fase primera de implementación Fase cuatro de implementación Diagrama de Gantt general para la instalación del sistema de telefonía IP en el SECAP Diagrama de Gantt para instalación y configuración de equipos Diagrama de Gantt para instalación y configuración de servidor 3Com NBX Diagrama de Gantt para la instalación de enlace E Diagrama de Gantt para pruebas del sistema Diagrama de Gantt para la instalación de teléfonos IP Diagrama de Gantt para retirada de dispositivos analógicos Diagrama de Gantt para la instalación de centros operativos Servidor 3Com NBX 100 montado en rack, con switch y patch panel Teléfono IP, 3Com modelo Teléfono IP, 3Com modelo Consola auxiliar de operadora modelo NBX Tiempo de recuperación de la inversión.. 209

13 ÍNDICE DE TABLAS 2.1. Tráfico de datos vs tráfico de voz Calidad de la voz por tipo de códec Distancias máximas para cables verticales Distancias máximas admisibles Cálculo de las secciones de canalización Dimensiones mínimas del cuarto de telecomunicaciones Requerimientos de los cables de fibra óptica Características de switch para transporte de VoIP Funcionarios de los centros operativos Distribución de canales del SECAP de acuerdo al ancho de banda Matriz FODA Puestos de trabajo SECAP ad. Central Fases de implementación del cableado estructurado del SECAP Funcionarios centros operativos Relación de códecs Ancho de banda con encabezados en una red LAN Resumen de cálculo de ancho de banda Comparación de las dos soluciones Análisis de costos. 208

14 1 RESUMEN La implementación de redes LAN y WAN en las empresas con el vertiginoso crecimiento del Internet y los distintos servicios que ofrece VoIP hacen que las mismas sientan la necesidad de realizar cambios en la tecnología de la forma de comunicarse, tendiendo a utilizar telefonía IP para garantizar un mejor servicio a sus clientes. En el Ecuador, las empresas que utilizan telefonía IP poseen un valor agregado, ya que pueden desarrollar nuevas aplicaciones y servicios que la telefonía tradicional no presenta, tales como mensajería unificada, centros IP de atención al cliente, entre otros. Existen muchas razones que explican el auge de la VoIP, siendo la más importante el ahorro de costos que se obtiene mediante la convergencia del tráfico de voz y datos en una sola estructura de red, ya que resulta más sencillo mantener y gestionar dicha red. El presente trabajo tiene como objeto fundamental rediseñar la red de datos del SECAP, para que pueda proporcionar este servicio. Se analizará la situación actual de la red de datos del SECAP, se recogerán los requerimientos de la institución y las especificaciones particulares, y se presentará un diseño que cubra dichos requerimientos. Esta solución será implementada de acuerdo a una planificación técnica acorde con el proyecto. Se planteará un plan de migración de su sistema de telefonía tradicional analógico hacia una convergencia entre la nueva red de telefonía IP y datos que se implementarán. Además, se analizará la rentabilidad del proyecto desde un punto de vista económico para la institución, evaluando cuándo recuperará la inversión.

15 2 ABSTRACT The implementation of LAN and WAN networks in companies, with the rapid growth of Internet and the various services offered by VoIP, make them feel the necessity to make changes in the technology they use for communicate, tended to use IP telephony in order to provide a better service to their clients. In Ecuador, companies that use IP telephony have an extra value because they can develop new applications and services that traditional telephony doesn t have, such as: unified messaging, IP-care centers to the customer, etc. There are many reasons for the rise of VoIP, being the most significant cost savings which can be achieved through the convergence of voice traffic and data, in a single network structure, as it is easier to manage and maintain the network. This diploma has the objective of redesign the SECAPs data network, in order to the company can provide this service. It will analyze the current state of SECAPs data network; the requirements and specifications of the institution will be collected, and it will be submitted a design to cover these requirements. This solution will be implemented according to a technical plan in accordance to the project. It will be considered a plan to migrate their traditional analog phone system towards a convergence between the new network IP telephony and data that will be implemented. Further, the profitability of the project will be analyzed from an economic point of view for the institution, evaluating when the investment could be recovered.

16 3 CAPÍTULO PLANTEAMIENTO, FORMULACIÓN Y SISTEMATIZACIÓN DEL PROBLEMA Actualmente, en el SECAP se encuentra instalado un sistema telefónico marca Panasonic, modelo KX-T336, equipado con 32 líneas urbanas y 96 extensiones, de tecnología analógica. En dicho sistema telefónico no se puede realizar control de llamadas, ni realizar programación de rutas de menor costo, ni implementar nuevos servicios, ni ampliar el sistema, entre otros. Asimismo, existen altos costos por el uso de líneas telefónicas; cambiando de tecnología, se logrará reducir los costos de las llamadas al poder realizar un control estricto sobre ellas; también se puede reducir costos asociados con cambios y movilidad, además de incrementar la productividad. La implementación de nuevas tecnologías sirve para agregar nuevos servicios como son correo de voz, mensajería unificada, call center, entre otros. Con el sistema actual, estos cambios se dificultan por los altos costos de su implementación y porque ciertos servicios son imposibles de añadir. El sistema telefónico del SECAP, al no cambiar de tecnología, se irá deteriorando más, y afectará considerablemente el normal desempeño de la institución.

17 OBJETIVO GENERAL, OBJETIVOS ESPECÍFICOS General. Realizar el rediseño de la red de datos del SECAP, con el propósito de implementar telefonía IP y proporcionar la calidad de servicio adecuada para la transmisión de Voz sobre IP Específicos. 1. Rediseñar la red de datos para su utilización en la implementación de telefonía IP. 2. Evaluar la red que actualmente opera en el SECAP 3. Definir los requerimientos de servicio de telefonía IP de la institución y, de esta manera, definir los requerimientos de VoIP para la red. 4. Definir las características técnicas mínimas de los sistemas o equipos tecnológicos necesarios para la implementación del rediseño de la red. 5. Evaluación costo/beneficio del rediseño de la red JUSTIFICACIÓN DEL TEMA El proyecto de tesis nace de la necesidad que posee el SECAP de migrar de telefonía tradicional a telefonía IP, con el propósito de optimizar los costos que representan la utilización del servicio de telefonía; para esto, es condición necesaria rediseñar la infraestructura existente de la red de datos, con el propósito de minimizar los gastos que se requieren para implementar una red convergente de voz y datos.

18 5 Adicionalmente, es importante considerar que la tecnología de la telefonía IP permite satisfacer las necesidades de comunicación, con la misma calidad de servicio y costos menores que la telefonía tradicional ALCANCE Al finalizar el trabajo se pretende: 1. Satisfacer los requerimientos del SECAP relacionados con la integración de servicios de voz y datos en una misma red. 2. Presentar el rediseño de la red de datos para el SECAP de manera óptima. 3. Presentar el análisis económico de la implementación de la red, en el cual conste el costo de los equipos e infraestructura necesaria para la futura implementación de la red. 4. Elaborar las bases técnicas para la implementación del rediseño realizado. 5. Alternativas de implementación. 6. Se implementará la red de voz sobre IP, en el SECAP de forma piloto MARCO DE REFERENCIA, TEÓRICO, CONCEPTUAL, TEMPORAL, ESPACIAL Y OTROS Los servicios de comunicación, tanto de voz y datos, son una necesidad fundamental del mundo actual; el SECAP cuenta, en una red independiente, con un sistema telefónico analógico, marca Panasonic, equipado para 32 Líneas urbanas y 96 extensiones. Este equipo es ineficiente debido a que no puede realizar control total de llamadas, ni programación de rutas de menor costo; tampoco puede realizar la transmisión de mensajes de voz, ni tener movilidad, etc; además, no existe una

19 6 cobertura eficiente a los usuarios por parte de la red y todo esto repercute en consumo de recursos y costos. La telefonía IP, rediseñando la red de datos que actualmente opera en el SECAP y su infraestructura, solucionará este problema y brindará la posibilidad de agregar servicios adicionales que van asociados a esta nueva tecnología como son: correo de voz, mensajería unificada, call center, entre otros. La telefonía sobre IP es una de las tecnologías más importantes y de mayor crecimiento, que provee una alternativa viable técnica y económica para las redes de comunicación en la actualidad. Hasta la reciente explosión del uso del Internet, voz y datos eran transmitidos en redes diferentes. La convergencia de voz y datos es el proceso de integración de los servicios de voz y datos en un mismo medio de transmisión, con la finalidad de mejorar la utilización de los recursos de la red. Voz sobre IP se define como el transporte de señales codificadas de voz de un transmisor a un receptor, a través de una red que utiliza el protocolo de Internet para transmitir información. Usando los protocolos de VoIP, las comunicaciones de voz se pueden implementar en cualquier red IP, ya sea Internet, Intranets o redes de área local (LAN). La comunicación se logra enviando voz en paquetes de datos, usando el protocolo de Internet (IP) en lugar de la red conmutada de circuitos de voz PSTN (Public Switch Telephone Network). La telefonía IP provee llamadas muy económicas, inclusive gratis en algunos casos, si se tiene un canal dedicado.

20 7 El protocolo de voz sobre IP (VoIP) hace referencia a la convergencia de la red de conmutación de circuitos de voz en la red de datos, para reducir costos y para proveer aplicaciones de telefonía a través de sistemas abiertos OSI. La telefonía IP es una de las tecnologías más importantes y de mayor crecimiento en la actualidad, porque provee una alternativa viable técnica y económica para las redes actuales de comunicación. En una red con VoIP, se digitaliza la señal de voz, se comprime dependiendo de la disponibilidad del ancho de banda y calidad de voz requerida, se convierte en paquetes IP y después se transmiten sobre la red. Los protocolos de señalización de VoIP se utilizan para establecer llamadas, terminar llamadas y llevar información requerida para localizar usuarios y para negociar capacidades; también hay que indicar que los protocolos de transporte más empleados en la integración de voz y datos son RTP y su protocolo de control, RTCP. Hoy en día, las arquitecturas interoperables de voz sobre IP se basan en las especificaciones H.323 y SIP, principalmente. Las especificaciones H.323 y SIP definen gateways y gatekeepers, y sugieren la manera de establecer, enrutar y terminar llamadas telefónicas a través de Internet. Estudiaremos lo relacionado a la integración de voz y datos, para que dicho estudio pueda ser aplicado al rediseño de la red del SECAP.

21 Marco conceptual - LAN (red de área local): Red de datos de alta velocidad y bajo nivel de errores que cubre un área geográfica relativamente pequeña. - VoIP (Voice Over Internet Protocol): Tecnología de transmisión de voz sobre paquetes, caracterizada por el empleo de la pila de protocolos IP como transporte. - IP (Protocolo Internet): Protocolo de capa de red de la pila TCP/IP, que ofrece un servicio de internetwork de redes no orientadas a conexión. - OSI (Internetwork de sistemas abiertos): Programa internacional de estandarización, creado por ISO e UIT-T para desarrollar estándares de networking de datos, que faciliten la interoperabilidad de equipos de varios fabricantes - RTP (Real Time Protocol): Protocolo de transporte de datos en tiempo real, definido en la RFC Proporciona identificación del tipo de carga, número de secuencia, información de temporización y monitorización de aplicaciones en tiempo real. - RTCP (Real Time Control Protocol): Protocolo de control y monitorización de la QoS, definido en la RFC Suele ir asociado a RTP. - H.323: Estándar de la ITU-T que recoge los protocolos empleados en el soporte de servicios de audio, video y conferencia de datos sobre redes de paquetes, sin garantía de QoS. - SIP (Session Initiation Protocol): Protocolo para establecer sesiones unicast entre dos puntos finales. Está recogido en la RFC 2543.

22 9 - Gateway: Se encarga de traducir los protocolos de establecimiento y liberación de llamadas, y de la conversión de formatos de la información entre diferentes tipos de redes, así como de transferir la información entre redes H.323 y redes no H Gatekeeper: Proporciona servicios de control de llamadas entre extremos finales H.323, tales como traducción de direcciones y gestión de ancho de banda Marco temporal, espacial El presente trabajo será desarrollado a partir de agosto y durará un tiempo aproximado de ocho meses. Se lo hará íntegramente en el SECAP de la ciudad de Quito HIPÓTESIS GENERAL Y ESPECÍFICAS Hipótesis general El rediseño de la red de datos del SECAP proporcionará servicios de voz sobre IP eficaces, permitirá la movilidad de los puestos e incrementará la eficiencia de los funcionarios para reducir tiempo y costos. Se tendrá mayor información y control sobre las llamadas y además se puede incrementar procesos para que el SECAP sea competitivo.

23 Hipótesis especificas Rediseñando la red de datos que actualmente está instalada en el SECAP, la infraestructura, implementando cableado estructurado y analizando el ancho de banda requerido, se puede llegar a proporcionar VoIP eficaz ESTRATEGIA METODOLÓGICA Los métodos de investigación se refieren al plan o estrategia concebida para responder a las interrogantes de la investigación, permitiendo obtener una mejor visión que facilite lograr el objetivo de la investigación. La metodología utilizada para la realización de la presente investigación será el método descriptivo porque se presenta el problema existente en el área de comunicaciones de voz del SECAP. Este método consiste en describir y evaluar ciertas características de una situación particular, en uno o más puntos del tiempo, midiendo de manera bien independiente los conceptos o variables a las que se refiere. Se analizan los datos reunidos para así descubrir cuáles variables están relacionadas entre sí. Requiere conocimiento del área que se investiga para formular las preguntas específicas que busca responder.

24 11 CAPÍTULO 2. TELEFONÍA IP 2.1 QUÉ ES LA TELEFONÍA IP? Telefonía IP vs. VoIP La telefonía IP se puede definir como cualquier aplicación telefónica que puede ser cursada a través de una red de datos, basada en conmutación de paquetes, mediante el protocolo IP. Existen varias definiciones, todas concluyen en un punto importante: envío de voz comprimida y digitalizada en paquetes de datos sobre Protocolo de Internet (IP); los algoritmos de compresión de voz permiten enviar la información, minimizando el ancho de banda, siendo posible utilizar el protocolo de nivel 3 del modelo de referencia OSI. Así, voz sobre IP (VoIP) se puede definir como una aplicación de telefonía, que puede ser habilitada a través de una red de datos de conmutación de paquetes vía IP. La ventaja real es la transmisión de voz como datos, ahorrando costos importantes para las empresas. VoIP es una tecnología que tiene todos los elementos para su rápido desarrollo, inclusive Cisco, 3Com, Avaya, entre otros, la han incorporado a su catálogo de productos. Los teléfonos IP están ya disponibles, y los principales operadores mundiales están promoviendo activamente el servicio IP a las empresas, ofreciendo calidad de voz a través del mismo. Además, ya tenemos un estándar que nos garantiza la interoperabilidad entre los distintos fabricantes. Se define la telefonía IP como el uso de paquetes IP para el tráfico de voz full-duplex. Estos paquetes son transmitidos a través de Internet o de redes IP privadas. El componente clave de la tecnología en telefonía IP son los equipos que convierten la señal de voz analógica en paquetes IP. Estos equipos pueden ser tarjetas específicas

25 12 para PC, software específico, o servidores-pasarela de voz. Estos equipos consiguen una calidad comparable a la telefonía tradicional a 5 Kbps, a partir de algoritmos de compresión que explotan las redundancias, pausas y silencios del habla. La telefonía IP es una tecnología que permite el transporte de voz sobre redes IP, produciendo un efectivo ahorro en el gasto que incurren las corporaciones para sus llamadas de larga distancia, nacional e internacional. Mediante la instalación de gateways y paquetes de software en dependencias estratégicas de la corporación, es posible obtener beneficios económicos tangibles a corto plazo, al sustituir minutos de larga distancia convencional por minutos de voz sobre IP a un costo mucho menor. El Protocolo de Internet en un principio se utilizó para el envío de datos; actualmente, debido al creciente avance tecnológico, es posible enviar voz digitalizada y comprimida en paquetes de datos, los cuales pueden ser enviados a través de ATM, Frame Relay, Satelite, entre otros. Una vez que estos paquetes llegan a su destino son nuevamente reconvertidos en voz Elementos para implementar VoIP El mercado ofrece una serie de elementos que nos permitirán construir aplicaciones VoIP. Estos elementos son:. Teléfonos IP. Adaptadores para PC. Switch telefónicos. Gateway de voz (pasarelas RTC/PC). Gatekeeper. Servidores de comunicaciones. Unidades de audio conferencia múltiple. Servicios de directorio Las funciones de los distintos elementos son fácilmente entendibles en la figura 2.1.

26 13 FIGURA 2.1. ELEMENTOS DE UNA RED VOIP Fuente: VOIP-Voz sobre IP El Gatekeeper es un elemento opcional en la red, pero cuando está presente, todos los demás elementos que contacten dicha red deben hacer uso de éste, ya que su función es la de gestionar y controlar los recursos de la red, de manera que no se produzcan situaciones de saturación en la misma. El Gateway es un elemento esencial en la mayoría de las redes, pues su misión es la de enlazar la red VoIP con la red telefónica analógica. Podemos considerar al Gateway como un equipo que por un lado, tiene una interfase LAN y por el otro, dispone de uno o varios de las siguientes interfaces:.fxo: Para conexión a extensiones de centrales telefónicas o a la red telefónica básica..fxs: Para conexión a enlaces de centrales telefónicas o a teléfonos analógicos..e&m: Para conexión específica a centrales telefónicas..bri: Acceso básico RDSI (2B+D).PRI: Acceso primario RDSI (30B+D).G703: Interfase digital para conexión a centrales telefónicas a 2Mbps (E1).

27 14 Los distintos elementos pueden residir en plataformas físicas separadas, o también se puede encontrar varios elementos conviviendo en la misma plataforma. Un aspecto importante a mencionar es el de los retardos en la transmisión de la voz, en tanto se debe tener en cuenta que la voz no es muy tolerante con estos. De hecho, si el retardo introducido por la red es de más de 300 milisegundos, resulta casi imposible mantener una conversación fluida. Debido a que las redes de área local no están preparadas, en principio, para este tipo de tráfico, el problema puede parecer grave. También se debe considerar que los paquetes IP son de longitud variable y el tráfico de datos suele ser a ráfagas. Para intentar obviar situaciones en las que la voz se pierde porque tenemos una ráfaga de datos en la red, se ha ideado el Protocolo de Reservación de Recursos (RSVP), cuya principal función es dividir los paquetes de datos grandes y dar prioridad a los paquetes de voz cuando hay una congestión en un ruteador. Si bien este protocolo ayudará considerablemente al tráfico multimedia por la red, hay que tener en cuenta que RSVP no garantiza una calidad de servicio, como ocurre en redes avanzadas tales como ATM, que proporciona QoS en forma estándar Componentes de la telefonía IP Existen tres componentes en la tecnología de la telefonía IP: clientes, servidores y gateways, como se indica en la figura 2.2.

28 15 FIGURA 2.2. COMPONENTES DE TELEFONÍA IP Elaborado por: Edwin Tufiño M. a) El cliente - Establece y termina las llamadas de voz. - Codifica, empaqueta y transmite la información de salida generada por el micrófono del usuario. - Recibe, decodifica y reproduce la información de voz de entrada, a través de los altavoces o audífonos del usuario. El cliente se presenta en dos formas básicas: 1.- Puede ser un cliente virtual que reside en un gateway. 2.- Una aplicación de software corriendo en una PC que el usuario controla mediante una interfaz gráfica de usuario.

29 16 b) Los servidores Manejan un amplio rango de operaciones, las cuales incluyen: validación de usuarios, tasación, tarificación, enrutamiento, administración general del servicio, carga de clientes, control del servicio, registro de usuarios, servicios de directorio y otros. c) Los gateways de telefonía IP Estos proporcionan un puente entre los mundos de la telefonía tradicional y la telefonía sobre Internet; es decir, permite a los usuarios comunicarse entre sí. La función principal de un gateway es proveer las interfaces apropiadas para la telefonía tradicional, funcionando como una plataforma para los clientes virtuales. Los gateways juegan también un papel importante en la seguridad de acceso, el control de calidad de servicio (QoS) y en el mejoramiento del mismo. Los servicios de telefonía IP no están limitados a los usuarios de PCs con acceso a Internet, ya que, mediante la colocación de gateways, los proveedores pueden ofrecer servicios de telefonía IP. La conversión de la voz a datos requiere una sofisticada formulación matemática, la que comprime la voz humana digitalizada, en un conjunto de datos mucho más pequeño y manejable. Una fórmula similar expande los datos comprimidos para devolver la voz a su estado original una vez que llega a su destino, minimizando el ancho de banda consumido, por lo que se optimizan los recursos disponibles. Por ejemplo, una conversación de telefonía IP ocupa aproximadamente la octava parte que una tradicional. Debido a que las formulaciones matemáticas y los procesadores de señal para la compresión y descompresión de la voz en datos son cada vez más eficientes, y los anchos de banda disponibles para el traslado de la voz sobre IP cada vez son mayores, la calidad de la comunicación de voz sobre IP ha superado las expectativas y, prácticamente, ha igualado a la de las llamadas telefónicas sobre sistemas de telefonía estándar.

30 17 La creciente demanda por productos abiertos de telefonía computarizada ha esclarecido el hecho de que las telecomunicaciones no pueden permanecer por más tiempo separadas de los servicios de procesamiento de información de las empresas, al tiempo que los servicios telefónicos deben poseer interoperabilidad con otros servicios de información. De esta forma, los servicios de telecomunicaciones, representados por las redes públicas o privadas, podrán disponer de mejores capacidades de procesamiento de información mediante la interacción que se logre con los dispositivos computacionales. Esta convergencia resultará en servicios mejorados de comunicación, donde el control de llamadas y el procesamiento de los recursos pueden ser fácilmente integrados con las funciones de suministro de datos y análisis de información. Empleando telefonía IP, las llamadas establecidas entre teléfonos de la misma empresa (aún en ubicaciones distintas) no generan costo adicional alguno, y las enviadas a abonados de larga distancia, se realizan al precio de las llamadas locales Redes Públicas Uno de los tipos de redes públicas es la Red Telefónica Pública Conmutada (RTPC o PSTN por su nombre en inglés: Public Switched Telephone Network), de la cual existen 600 millones de usuarios alrededor del mundo y su tráfico de voz se incrementa a una velocidad del 8% anual. Otro de los tipos existentes, y una de las más conocidas, es la Red de Paquetes INTERNET, con más de 100 millones de usuarios alrededor del mundo, y con un tráfico de datos que se incrementa a una velocidad anual del 35%. El tráfico de datos avanza más rápido que el tráfico de voz, como lo muestra la gráfica siguiente.

31 18 TABLA 2.1.TRÁFICO DE DATOS VS TRÁFICO DE VOZ Fuente: Source Synergy 2.2 REQUERIMIENTOS MINIMOS PARA EL TRANSPORTE DE VOZ En una comunicación de VoIP existen algunos inconvenientes en la transmisión de los paquetes de voz, debido a diferencias en los retardos de llegada al receptor; esto se conoce como Jitter. La calidad de la voz en este tipo de conversaciones no se puede garantizar, ya que es muy complicado evitar que en el envío de estos paquetes, algunos lleguen con errores. De acuerdo a esto se han establecido ciertos requisitos en parámetros para asegurar, de cierta forma, la calidad de VoIP: a) Error de tolerancia En contraste a una comunicación de datos, en donde el error más pequeño puede causar resultados devastadores, la comunicación de voz es más tolerable a la presencia de errores. Un error ocasional no degradará seriamente la conversación, siempre y cuando el error no afecte una porción relativamente larga de la señal.

32 19 b) Requisitos de retardo Cuando se envía información de datos no es muy relevante el tiempo que tarda un paquete en llegar a su destino, mientras que en una comunicación de voz, estos retardos sí son muy importantes. Por esto, se ha determinado que los retardos deben ser menores a 200ms (150 ms exactamente) para tener una conversación clara. c) Tolerancia al Jitter Si cada paquete contiene una parte de voz, ésta debe ser reproducida una vez que llegue al receptor. A veces se presenta que unos paquetes llegan de forma continua, pero otras veces hay un retardo adicional. Si la voz se reprodujera así, sería muy molesto para los participantes de la conversación, por eso este Jitter debe tratar de eliminarse. También debe considerase una tasa de calidad de voz en nivel PCM, o mejor, y señalamiento por DTMF PROBLEMAS DE RETARDO EN LOS PAQUETES DE VOZ Tradicionalmente, el servicio de telefonía se ha suministrado utilizando como soporte una red de conmutación de circuitos. Este tipo de tecnología se caracteriza, principalmente, por reservar los recursos de que se servirá la comunicación hasta que ésta se da por terminada, lo que supone que toda la información seguirá el mismo camino y, por tanto, sufrirá el mismo retardo. Sin embargo, en las redes de conmutación de paquetes, la información es fragmentada en un flujo de paquetes independientes que viajan por caminos distintos de la red, lo que supone que, en general, llegarán en una secuencia diferente a la de la transmisión, con un retardo distinto. Visto esto, queda claro que a la hora de abordar la integración de las redes de voz y datos, en una infraestructura única basada en conmutación de paquetes, existen los siguientes problemas:

33 20 a) Longitud de paquetes En una transmisión de voz sobre IP se pueden dañar o perder paquetes. Para reducir, en cierta forma, la pérdida de información, los paquetes deben tener una porción muy pequeña de la señal de voz; de esta forma, si un paquete se pierde, tan solo una pequeña porción es pérdida y es muy improbable que distorsione la conversación. b) Buffer Anteriormente se mencionaron los efectos negativos del Jitter y una técnica para reducirlo durante la transmisión de la voz, es introducir una cantidad de retardo o buffer. En lugar de ir reproduciendo la señal de voz de cada paquete que va llegando, se introduce un retardo a cada paquete, obteniendo así una alta probabilidad de que cuando termine de reproducirse un paquete, el siguiente ya esté disponible y así hacer que la señal sea continua. c) Retardo Un retardo muy largo es desastroso para una conversación. El retardo total puede ser clasificado en dos tipos, el retardo fijo, que es el retardo total debido al buffer, la capacidad del enlace, entre otros, y el retardo variable, que es causado por filas de paquetes en los routers, congestiones en la red y otros. d) Supresión de silencio Cuando se está efectuando una conversación, es usual que tan solo una persona esté hablando; cuando estamos usando un sistema de VoIP tenemos oportunidad de ahorrar ancho de banda porque los paquetes que contienen silencio no es necesario enviarlos. Antes de desechar paquetes, debemos determinar si contienen silencio o no. Una forma de hacerlo es calcular la energía de la señal de voz en un paquete, y los paquetes que no contengan la suficiente cantidad de energía pueden suponerse contenedores de silencio y así pueden ser desechados.

34 21 La supresión de silencio no tiene mayores efectos en la conversación, debido a que los paquetes de silencio no tienen sonido de la conversación, sino ruido ambiente; sin embargo, para que la conversación no parezca que haya terminado, es introducido un sonido ambiente artificial en el lado del receptor. e) Jitter El Jitter es una medida de la variación del tiempo que toman las comunicaciones para atravesar desde el remitente (aplicación) hasta el receptor.se puede tender a pensar en el Jitter como la variación media estadística del tiempo de llegada entre paquetes o datagramas. El Jitter puede crear problemas audibles de la calidad de la voz si la variación es mayor a 20ms. Los síntomas de excesivo Jitter son similares a los síntomas de gran retardo, porque en ambos casos se desechan los paquetes, si el retardo excede la mitad del tamaño del Jitter Buffer. La topología de la red también puede afectar el Jitter porque, por ejemplo, hay menos colisiones en una red jerárquica conmutada de datos, que en una red plana. f) Pérdida de paquetes La pérdida de paquetes se da cuando se envían paquetes por una red, pero no se reciben en el destino final, debido a algún problema en la red. Para asegurar buena calidad de voz en una red de VoIP, la pérdida del paquete debe ser menor al 0.2% entre los puntos finales. Hay varios factores que hacen que exista pérdida de paquetes: - Los requisitos de la pérdida de paquetes son más exigentes con los tonos que para la voz (con excepción de DTMF), debido a que el oído es menos capaz de detectar la pérdida de paquetes durante un discurso (pith variable), que durante un tono (constante). - Los requisitos de la pérdida de paquetes son más exigentes para la pérdida continua de paquetes pequeños, que para la pérdida de paquetes al azar en cierto

35 22 plazo; es decir, perder diez paquetes contiguos es peor que perder diez paquetes espaciados uniformemente en una hora. - La pérdida de paquetes puede ser más sensible con la pérdida de grandes cargas útiles de la voz que para las más pequeñas, porque se pierde más voz en una carga útil más grande. g) Desorden de llegada El desorden de llegada de paquetes excesivo es muy parecido a la pérdida de paquetes para la voz sobre IP. Si un paquete llega fuera en desorden, generalmente se desecha, pues no tiene ningún sentido reproducirlo. Específicamente los paquetes se desechan cuando llegan más tarde de lo que el Jitter Buffer puede mantenerlos. El desorden de llegada puede ocurrir cuando las redes envían paquetes individuales por diversas rutas. Acontecimientos previstos, como carga balanceada, acontecimientos imprevistos, como re-enrutar debido a congestiones u otras dificultades transitorias pueden causar desorden en la llegada de los paquetes. Los paquetes que atraviesan la red por diferentes rutas pueden llegar a su destino en desorden. h) Transcodificación La transcodificación es la conversión de una señal de voz análoga a digital o de digital a análoga (posiblemente con o sin compresión y descompresión). Si las llamadas son enrutadas usando múltiples codificadores de voz, las llamadas pueden experimentar múltiples transcodificaciones, lo que da lugar a una cierta degradación de la calidad de la voz. i) Eco En una transmisión de VoIP existen muchas fuentes de eco, por ejemplo se da eco por acústica, por impedancia y otros. Existen varias causas por las que se presenta el eco,

36 23 por ejemplo cuando una llamada de VoIP sale de la LAN a través de una troncal análoga a la PSTN (RTPC), o cuando hay desacople de impedancias entre sistemas de cuatro y dos cables, o cuando se hace la conversión entre bus TDM (multiplexación por división de tiempo) y LAN, o por el desacople entre el receptor y su adaptador. Los desacoples de impedancia causan una transferencia de energía ineficaz, y el desequilibrio de la energía debe ir a alguna parte, lo que se ve reflejado en forma de eco. El locutor oye generalmente eco pero el receptor no. Los supresores de eco tienen gran cantidad de memoria para comparar la voz recibida con el patrón de voz y si los patrones concuerdan, el supresor cancela el eco. Sin embargo, los supresores de eco no son perfectos; bajo algunas circunstancias, el eco persiste a pesar del supresor. j) Dúplex La red ideal para el transporte del tráfico de VoIP es aquella que es completamente LAN conmutada de extremo a extremo, porque reduce o elimina perceptiblemente colisiones. Una red que comparte segmentos (basada en Hubs) puede dar lugar a una calidad de voz más baja, debido a excesivas colisiones. k) Selección del códec Dependiendo de la disponibilidad del ancho de banda y calidad de voz requerida, puede ser un gran logro seleccionar un códec que produzca audio comprimido. El códec G.711 produce audio sin comprimir a 64 Kbps El códec G.729 produce audio comprimido a 8 Kbps El códec G.723 produce audio comprimido aproximadamente a 6 Kbps La tabla 2.1 proporciona la comparación de varias consideraciones de la calidad de la voz asociada a algunos códecs.

37 24 TABLA 2.2. CALIDAD DE LA VOZ POR TIPO DE CÓDEC CODEC ANCHO DE BANDA EN ORIGEN RATIO DE COMPRESIÓN ANCHO DE BANDA COMPRIMIDO G Kbps/s 1 : 1 64 Kbps/s G Kbps/s 3,5-4,6 : Kbps/s G Kbps/s 10 : 1 6,4 Kbps/s G Kbps/s 4 : 1 16 Kbps/s G Kbps/s 8 : 1 8 Kbps/s Elaborado por: Edwin Tufiño M SOLUCIÓN A PROBLEMAS DE RETARDO a) Calidad de servicio. Para que una solución de VoIP funcione bien, la red debe poder dar mayor prioridad a los paquetes de voz que a los paquetes ordinarios de datos. Existen estrategias para dar prioridad a estos paquetes, como son: clase de servicio (CoS), prioridad de puertos, servicios de prioritización y el uso de p/q IEEE para fijar los bits de prioridad. La calidad de servicio (QoS) implica dar tratamiento preferencial, reserva de ancho de banda, entre otros, ejemplo de calidad de servicio es RSVP (Resource Reservation Protocol). b) RSVP Habilita diferentes técnicas de reserva de recursos para una sesión o sesiones dadas antes de que esta(s) sea(n) establecida(s) y se intente intercambiar flujo de medios entre los participantes de dicha sesión. De las soluciones disponibles en el mercado, RSVP es la solución más compleja pero es la que más se acerca a la emulación de circuitos dentro de una red IP, con el propósito de establecer un camino entre dos puntos finales,

38 25 con el objetivo de brindar QoS al flujo de datos. RSVP, como tal, no da QoS, pero trata a los paquetes de una cierta clasificación de tal forma que el envió de punto a punto es un proceso predecible. RSVP fija un camino, el cual va a ser usado por los paquetes que fluyen entre los puntos finales. Las características principales de RSVP son: - Está orientado al receptor, esto quiere decir que la reserva del camino propuesto es hecho por el receptor y no por el emisor, la razón principal para tener esta característica es el soporte de aplicaciones multicast. - Soporta reservas heterogéneas por cada sesión multicast; esto permite que los receptores en una sesión multicast realicen peticiones diferentes de QoS. - Los receptores tienen la capacidad de modificar una QoS existente en el camino entre dos puntos finales. - Soporta múltiples estilos de reserva para diferentes necesidades de aplicaciones, como por ejemplo audio o video. En RSVP la calidad de servicio se implementa para un flujo de datos en particular, gracias a un mecanismo que en su conjunto se denomina control de tráfico. En éste se incluye el clasificador de paquetes, el control de admisión y políticas, y el organizador de paquetes; los cuales son usados en conjunto para determinar cuándo se debe reenviar un paquete. c) Uso de puertos. Con el uso de puertos se puede implementar un esquema de prioritización que asigna la prioridad de acuerdo a los números de los puertos UDP (por su nombre inglés: User Datagran Protocol) que usan los paquetes de voz. Este esquema permite utilizar el equipo necesario para que la red pueda dar prioridad a todos los paquetes de una gama portuaria. El UDP se utiliza para transportar voz por LAN porque, contrario al TCP, es un protocolo no orientado a conexión.

39 26 d) Uso de VLANs. Las redes locales virtuales (VLANs) proporcionan seguridad y crean una pequeña difusión de dominios a través de software, creando subredes separadas virtualmente. La difusión es natural en los protocolos usados en la mayoría de las redes de datos por PC, servidores switches y routers. Crear una VLAN separada para la voz, reduce la cantidad de tráfico de difusión que el teléfono recibirá. La separación de VLANs da como resultado una eficaz utilización del ancho de banda, y reduce la carga del procesador en los puntos finales, liberándolo de tener que analizar paquetes irrelevantes. Las VLANs son características de la capa 2, y se definen en los switches de datos o pueden estar especificadas en una lista en los puertos del switch. La voz y los datos separados en VLANs es una opción que tiene sentido para la mayoría ESTÁNDARES Desde hace tiempo, los responsables de las comunicaciones de las empresas tienen en mente la posibilidad de utilizar su infraestructura de datos para el transporte del tráfico de voz interno de la empresa. No obstante, es la aparición de nuevos estándares, así como la mejora y abaratamiento de las tecnologías de compresión de voz, lo que está provocando finalmente su implantación. a) H323 Lo que a todos les quedó claro desde el principio fue que si cada fabricante diseñaba su propia pila de protocolos, tal vez el sistema nunca hubiera funcionado. Para evitar este problema, un grupo de personas se reunieron bajo la protección de la ITU para trabajar en estándares. En 1996, la ITU emitió la recomendación H.323 titulada Sistemas Telefónicos Visuales y Equipo para Redes de Área Local que Proporcionan una Calidad de Servicio no Garantizada. La recomendación se revisó en 1998, y esta H.323 revisada fue la base de los primeros sistemas de telefonía de Internet ampliamente difundidos. H.323 comprende, a su vez, una serie de estándares y se apoya en una serie de protocolos que cubren los distintos aspectos de la comunicación:

40 27 - Direccionamiento. RAS (Registration, Admision and Status). El registro, admisión y estado es el protocolo que se establece entre extremos finales y gatekeepers previo al establecimiento de cualquier otro tipo de canal. Los mensajes RAS viajan a través de un canal no fiable (UDP); es decir, es un protocolo de comunicación que permite a una estación H.323 localizar otra estación H.323 a través del gatekeeper. - Señalización. H.225. El canal de señalización se emplea para transportar mensajes de control de llamadas, señalización, registro y admisión. Existen dos tipos de señalización:. Señalización directa: los mensajes de señalización se intercambian directamente (sin la intervención de un gatekeeper) entre los puntos finales, utilizando las direcciones de transporte de señalización de llamada CSTA (Call Signaling Transport Addres).. Señalización indirecta: inicialmente, se envía un mensaje al gatekeeper utilizando la dirección de transporte del canal RAS. De este modo, los mensajes de señalización son encaminados por el gatekeeper. En este caso, hay dos opciones en cuanto al direccionamiento del canal de control de la señalización: bien directamente, o bien a través del propio gatekeeper. La señalización H.225 se emplea para establecer conexiones entre puntos finales H.323 sobre las que pueden transportarse datos en tiempo real. La señalización implica el intercambio de mensajes H.225 sobre un canal de señalización fiable. Por ello, en las redes IP, se implementa sobre TCP. H.245. El protocolo H.245 se emplea en el intercambio de mensajes de control de extremo a extremo. Estos mensajes de control se utilizan para gestionar el funcionamiento del punto final H.323 y llevan información relacionada con las capacidades de intercambio, la apertura y el cierre de canales lógicos para el transporte de flujo de datos, mensajes de control de flujo, e indicaciones y comandos de índice general.

41 28 El control de la señalización H.245 consiste en el intercambio extremo a extremo de mensajes H.245 entre los puntos finales H.323 que intervienen en la comunicación. Los mensajes de control H.245 son transportados sobre canales de control H.245. El canal de control H.245 es un canal lógico abierto permanentemente, a diferencia del resto de canales. Los mensajes H.245 pueden ser de dos tipos, que son:. Mensajes de intercambio de característica de los terminales: el intercambio de características es un proceso que emplean los terminales para intercambiar sus capacidades de transmisión y recepción con el extremo final.. Mensajes de señalización de canales lógicos: un canal lógico lleva información unidireccional desde un punto final a otro punto final (en el caso de una conferencia punto a punto) o desde un punto final a múltiples puntos finales (en el caso de una conferencia punto-multipunto). H.245 proporciona mensajes para abrir o cerrar un canal lógico. - Códec de audio. Un códec de audio codifica la señal de audio procedente del micrófono del terminal transmisor y, en el otro extremo, decodifica el audio codificado al hablante del terminal H.323 receptor. Puesto que el servicio mínimo proporcionado por H.323 es la comunicación de voz, todos los terminales H.323 deben disponer de, al menos, un codec de audio como especifica la recomendación ITU-T G.711 (codificador de audio a 64 Kbps). Sin embargo, esta codificación es la menos adecuada para la comunicación sobre una red de paquetes porque, por lo general, el ancho de banda de usuario es menor de 64 Kbps, así que se han definido otras recomendaciones adicionales como son G.722 (64, 56 y 48 Kbps), G (5,3 y 6,3 Kbps), G.728 (16 Kbps), y G.729 (8 Kbps), que también se soportan.

42 29 - Transmisión de voz UDP. La transmisión se realiza sobre paquetes UDP, pues aunque UDP no ofrece integridad de los datos, el aprovechamiento del ancho de banda es mayor que con TCP. Se caracteriza por proporcionar un servicio sin conexión. Básicamente, se trata de un interfaz entre IP y los procesos de nivel superior, pues únicamente entrega paquetes a la red y acepta paquetes procedentes de la misma. UDP no lleva a cabo ningún control de errores ni control de flujo, por lo que el servicio que proporciona no es fiable. Sin embargo, tiene la ventaja de ser un protocolo simple. RTP (nombre inglés: Real Time Protocol). Maneja los aspectos relativos a la temporización, marcando los paquetes UDP con la información necesaria para la correcta entrega de los mismos en recepción. RTP proporciona servicio de audio y video en tiempo real, extremo a extremo, sobre una red de paquetes. El proceso de transporte implica dividir en paquetes el flujo de bits que proporciona el codificador de señal, enviar dichos paquetes por la red y reensamblar el flujo de bits original en el destino. Este proceso, lejos de ser sencillo, resulta bastante complejo debido a que existen pérdidas de paquetes, retrasos diferentes en su viaje por la red, e incluso una alteración en el orden en que llegan al receptor. Por tanto, el protocolo de transporte debe permitir al otro extremo detectar todas estas pérdidas. Además, también debe proveer de información temporal para que el receptor pueda compensar el Jitter (variación del retardo). Para cumplir todos estos requerimientos, el RTP define:. Formato de los paquetes, que se divide en dos partes: la cabecera y la carga útil. La primera proporciona al receptor la información necesaria para reconstruir el flujo de bits, mientras que la segunda constituye el propio flujo de bits.. Mecanismo empleado para fragmentar el flujo de información en paquetes. El protocolo RTP fue diseñado para soportar multicast, esto es, aplicaciones de conferencia y entornos broadcast en los que se utiliza la difusión para distribuir información. Es importante señalar que RTP no realiza ninguna reserva de recursos a fin