EXPERIENCIA I: EL GATEWAY IP400 Y PROTOCOLOS EN VOZ SOBRE IP

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1 CAPÍTULO 2 EXPERIENCIA I: EL GATEWAY IP400 Y PROTOCOLOS EN VOZ SOBRE IP Resumen: En esta experiencia se introduce la Telefonía IP utilizando algunos equipos básicos: los Innovaphone IP 400, que son sistemas Gateway/Gatekeepers que permiten adaptar telefonía RDSI-be (interfaces BRI) a una red IP. Se hará uso de un sniffer para estudiar los estándares y protocolos involucrados en el transporte de voz sobre IP (VoIP). 5

2 2.1.- OBJETIVOS Después de haber realizado esta experiencia, el alumno será capaz de: Reconocer la infraestructura y los equipos básicos de un sistema simple de telefonía IP, y la función de cada elemento. Configurar un gateway para cursar telefonía IP. Identificar, mediante un sniffer, los protocolos asociados al estándar H.323 y familiarizarse con las diferentes etapas en la comunicación de voz. Estudiar la estructura de un paquete de voz, en particular, la cabecera RTP INTRODUCCIÓN [Uni98], [Est01] Las ventajas que se obtienen al utilizar una red para transmitir tanto voz como datos son: Potencial ahorro de costos de comunicaciones, pues, las llamadas entre las distintas delegaciones de una organización están incorporadas en el costo de mantener una red de computadores activa. Integración de servicios y unificación de estructura. En la actualidad se pueden encontrar tres tipos de redes IP: i) Internet. El estado actual de la red no permite un uso profesional para el tráfico de voz (se experimentan retardos no despreciables). ii) Red IP pública. Los operadores ofrecen a las organizaciones la conectividad necesaria para interconectar sus redes de área local en lo que al tráfico IP se refiere. Se puede considerar como algo similar a Internet, pero con una mayor calidad de servicio y con importantes mejoras en seguridad. Hay operadores que incluso ofrecen garantías de bajo retardo y/o ancho de banda, lo que las hace interesante para el tráfico de voz. iii) Intranet. La red IP implementada por la propia organización. Suele constar de varias redes Lan (Ethernet conmutada, ATM, etc.) que se interconectan mediante redes WAN tipo Frame-relay/ATM, líneas punto a punto, RDSI para el acceso remoto, etc. En este caso la organización tiene bajo su control prácticamente todos los parámetros de la red, por lo que resulta ideal para su uso en el transporte de voz. Actualmente se puede partir de una serie de elementos disponibles en el mercado y que, según diferentes diseños, permitirán construir las aplicaciones VoIP. Estos elementos son: teléfonos IP, adaptadores para PC, hubs telefónicos, gateways (pasarelas RTC/IP, 6

3 RDSI/IP), gatekeeper, unidades de audio conferencia múltiple (MCU Voz), servicios de directorio, etc. Teléf onos IP RTC Hub Telef ónico PABX RED IP Gateway WAN Teléf ono IP RED IP PABX Gateway RTC PC + Adaptador Unidad de Audioconf erencia Múltiple DNS Gatekeeper Figura Elementos de una red VoIP La función de cada elemento se desprende de la figura 2.1, pero conviene recalcar algunas ideas. El Gatekeeper es un elemento opcional en la red, pero cuando está presente, los demás elementos que contacten dicha red deben hacer uso de aquel. Su función es la de gestión y control de los recursos de la red, de manera que no se produzcan situaciones de saturación de la misma. Entre otras cosas, proporciona seguridad en la red (impidiendo el uso sin autorización), tablas de configuración de rutas, autentificación y facturación. 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 o con la red RDSI. 7

4 Podemos considerar al Gateway como una caja que por un lado tiene una interfaz Lan y por el otro dispone de una o varias interfaces BRI (acceso básico RDSI 2B+D). Los distintos elementos pueden residir en plataformas físicas separada, o también se pueden encontrar varios elementos conviviendo en la misma plataforma. De este modo es habitual encontrar juntos Gatekeeper y Gateway El Estándar H.323. El estándar H.323 sienta las bases de la transmisión de audio, video y datos a través de las redes IP, incluyendo Internet. Gracias a este estándar la mayoría de los productos y aplicaciones multimedia de muchos fabricantes pueden actuar entre sí, permitiendo a los usuarios establecer cualquier tipo de comunicación sin necesidad de pensar en la compatibilidad de equipos. H.323 también puede controlar llamadas, manejar datos multimedia e incluso puede llegar a gestionar el ancho de banda así como las interfaces entre las redes Lan y otro tipo de redes. El 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, los cuales se muestran en la figura 2.2: Voz (Parte usuario) Señalización Direccionamiento PCMA Audio Control RAS (H.225) RTP RTCP H.245 Q.931 (H.225) UDP TCP IP Ethernet Figura Pila de protocolos en VoIP Direccionamiento: 1. H.225/RAS (Registration, Admission and Status). Protocolo de comunicaciones que permite a una estación H.323 localizar otra estación H.323 a través del gatekeeper. Compresión de voz: 1. Requeridos: G.711 y G.723 8

5 2. Opcionales: G.728, G.729 y G.722 Transmisión de voz: 1. RTP (Real-Time Transport Protocol). Maneja los aspectos relativos a la temporización, marcando los paquetes UDP con la información necesaria para su correcta entrega en recepción. 2. UDP (User Datagram Protocol). La transmisión se realiza sobre paquetes UDP, pues aunque UDP no ofrece integridad en los datos, el aprovechamiento del ancho de banda es mayor que con TCP. Control de la transmisión: RTCP (Real Time Control Protocol). Se utiliza principalmente para detectar situaciones de congestión de la red y tomar, en su caso, acciones correctoras. Señalización: 1. H.225/Q.931 Señalización inicial de llamada. 2. H.245 Protocolo de control para especificar mensajes de apertura y cierre de canales para flujo de voz Herramientas para el laboratorio. Si bien el alumno puede estar familiarizado con la mayoría de los elementos que se usarán durante la experiencia, cabe destacar el gateway y el analizador de protocolos (sniffer) El Gateway. El gateway a utilizar es el modelo IP 400 de la compañía Innovaphone. Las características, especificaciones técnicas e información general sobre el gateway se pueden ver en el anexo D. Este gateway integra a su vez, un gatekeeper. El archivo trgwe.pdf es un manual completo sobre el uso de este gateway pero en el anexo A se resumen las principales aplicaciones para llevar a cabo la experiencia. 9

6 El Analizador de Protocolos. Durante la experiencia se hará uso del software Agilent Advisor, el cual incorpora funcionalidad para análisis de paquetes de voz. Con este software se facilita también el estudio de los protocolos involucrados en el transporte de voz en tiempo real (estándar H.323). Para más información sobre el uso de este software, véanse los archivos IP Telephony Analyzer.pdf y Advisor SW Edition.pdf. En el anexo B se resumen las principales aplicaciones de este software para efectos de este laboratorio DESCRIPCIÓN DE LA EXPERIENCIA Material que se requiere para la experiencia: Una estación de trabajo Windows con tarjeta de red, micrófono y parlantes; Web Browser, NetMeeting y un analizador de protocolo (sniffer). 2 gateways IP hub. 3 terminales RDSI y sus respectivos cables para conectarlos a la interfaz BRI del IP cables de red categoría 5 para conectar los equipos por medio del patch panel. 1 teléfono digital para conectarlo a la PBX del laboratorio Organización del Laboratorio Armstrong La experiencia se llevara a cabo en el Laboratorio Armstrong del departamento de electrónica. La figura 2.3 muestra el laboratorio visto desde arriba. 10

7 Central Telefónica Norstar 6/16 Banco 4 Patch Panel de Comunicaciones: Es donde se realizan las conexiones de los equipos entre si y con los bancos de trabajo Rack de Comunicaciones: Es donde se encuentran los gateway/gatekeeper innovaphone IP 400 y los hubs Banco 3 Banco 2 Banco 1 Enchufes del banco de trabajo conectado con el Patch Panel Figura Laboratorio Armstrong visto desde arriba 11

8 Forma de Configurar el Hardware La figura 2.4 muestra la forma de hacer las conexiones para configurar el hardware y armar el escenario de aplicación correspondiente. Equipo en Rack de Comunicaciones (IP 400 o Hub) Pach Panel de Comunicaciones Conexión interna (no accesible al alumno) Equipo en banco de trabajo (teléfono, PC, etc.) Conexión externa en Patch Panel Enchufe de Pared en Banco Figura Forma de configurar el hardware Todos los equipos que están en el rack están reflejados en el Patch Panel en lo relativo a terminales útiles. Todos los terminales de los bancos están reflejados en el Patch Panel de comunicaciones. 12

9 Descripción de la Experiencia Se puede dividir la experiencia en dos partes: La primera parte (puntos al del desarrollo de sesión) tiene que ver con armar el escenario de aplicación y configurar los gateways hasta dejar operando el sistema para hacer llamadas de un extremo hacia otro. Esto incluye configurar las rutas de llamadas de acuerdo al escenario de aplicación. Además de configurar las rutas, se configuran las interfaces BRI y las interfaces VoIP del gateway VoIP. La segunda parte (punto del desarrollo de sesión) tiene que ver con monitorear una llamada con el sniffer y analizar la manera como se gestiona la comunicación de voz por medio de los protocolos correspondientes al inicio de la llamada, durante la transmisión de los paquetes de voz y en el cierre de sesión. El escenario de aplicación, mostrado en la figura 2.6, se puede armar en cuatro etapas: 1º) Configurar un gateway para cursar telefonía IP entre dos terminales anexados al mismo gateway, como se muestra en la figura 2.5-a: Gateway Figura 2.5-a.- Telefonía IP entre dos terminales conectados al mismo gateway 2º) Configurar dos gateways para cursar telefonía IP entre dos terminales anexados en gateways separados, como se muestra en la figura 2.5-b: Gateway RED IP/ HUB Gateway Figura 2.5-b.- Telefonía IP entre dos terminales conectados en gateways separados 13

10 3º) Configurar un gateway para cursar telefonía IP entre un PC y un terminal anexado a un gateway, como se muestra en la figura 2.5-c: Gateway RED IP/ HUB PC con Web Browser y Netmeeting Figura 2.5-c.- Telefonía IP entre PC y terminal RDSI 4º) Configurar un gateway para cursar telefonía IP entre un terminal anexado a un gateway y un teléfono de la PBX, como se muestra en la figura 2.5-d: Teléf ono digital PBX Gateway Figura 2.5-d.- Telefonía IP entre terminal RDSI y teléfono conectado a una PBX Una vez armadas y configuradas estas cuatro etapas, se logra el escenario de aplicación mostrado en la figura 2.6: 14

11 Teléf ono digital PBX RED IP/HUB PC con Web Browser y Netmeeting y Sniffer Gateway A Gateway B Figura Escenario de aplicación para armar en el laboratorio Una vez completado este escenario, se puede empezar con la segunda parte de la experiencia, la cual consiste en capturar una llamada con el sniffer y analizar los protocolos involucrados en la comunicación de voz sobre IP, haciendo énfasis en la cabecera RTP. 15

12 r ea d y l i n k a ct. P PP t el 1 t e l 2 IP 400 r ea d y l i n k a ct. P PP t el 1 t e l 2 IP INFORME PREVIO [Est01] Explique brevemente, a) Diferencias entre gateway y gatekeeper. b) Diferencias entre estándar Q.931 y H.245. c) En el protocolo RAS, para qué sirven los mensajes ARQ, ACF, DRQ y DCF? d) En el protocolo Q.931, si un terminal A inicia una llamada, se envía un mensaje SETUP al terminal B para establecer un intento de conexión. Con cuáles mensajes responde el terminal B? Para qué sirven estos mensajes? e) Mencione los principales tipos de mensajes del protocolo H.245 y sus funciones En el laboratorio se armará el escenario mostrado en la figura 2.7: Dir. IP: Nº: PBX: Norstar 6/16 Interfaz BRI : Pc con Netmeeting, web Browser y Sniffer HUB innovaphone GWA Dir. IP: /24 innovaphone GWB Dir. IP: /24 Nº: Interfaz BRI: Teléf ono digital Nº 221 Nº: Interfaz BRI: Nº: Interfaz BRI: Figura Montaje en el laboratorio Complete la figura 2.7 asignando a cada terminal RDSI un número telefónico con el rol de los integrantes del grupo sin dígito verificador. Escoja en cual interfaz BRI (Tel1, Tel2) conectará cada teléfono con cada gateway. Identifique el PC con la dirección IP X, donde X es el dígito verificador del rol de uno de los integrantes (reemplace 0 por 10 y k por 11 ). 16

13 Luego, con la ayuda del anexo A, suponga que está configurando los gateways para permitir comunicación entre el teléfono RDSI del gateway A y uno de los teléfonos RDSI del gateway B (a libre elección), como se muestra en la figura 2.5-b. Siga los siguientes pasos (configurar interfaces RDSI, configurar interfaces VoIP, configurar rutas) y complete las respectivas tablas: a) Configurar interfaces RDSI. Asuma que se encuentra en la sección ISDN Interface de la ventana de configuración del gateway A, como se indica en la figura A.4 del anexo A. Use la tabla 2.1 para indicar cuáles casillas de verificación debe marcar para permitir la comunicación. Dispositivo Nº Interfaz BRI Casillas de verificación Terminal1 (GWA) Terminal2 (GWB) Tabla Configuración de interfaces BRI b) Configurar interfaces VoIP. Complete la tabla 2.2 para indicar cómo llenar los campos y las casillas mostradas en la figura A.9 del anexo A: Dir. IP del gateway A: (ventana de configuración del gateway A) Interfaz VoIP donde se registra al gateway B Elección en el área Mode: Dir. IP en el campo En el área Remote gateway group address range IP address: Máscara de red en el campo IP Mask: Dir. IP del gateway B: (ventana de configuración del gateway B) Interfaz VoIP donde se registra al gateway A: Elección en el área Mode: Dir. IP en el campo En el area Remote gateway group address range IP address: Máscara de red en el campo IP Mask: Tabla Planilla para el registro de los gateways como interfaces VoIP 17

14 c) Configurar rutas. Muestre en la tabla 2.3 las rutas que se deben configurar en cada gateway para que exista comunicación bidireccional entre los dos teléfonos. Rutas gateway A Rutas gateway B Tabla Diseño de las rutas De acuerdo con las rutas diseñadas en la tabla 2.3, y con los números asignados a los teléfonos de la figura 2.7, complete la tabla 2.4 para definir las rutas y establecer comunicación entre los dos terminales. (Ver figuras A.15 y A.16). Ruta 1: desde terminal 1 a terminal 2 Ventana de configuración del gateway A Ventana de configuración del gateway B - llamada saliente llamada entrante Ventana de la figura A.15 Ventana de la figura A.15 Enable calls from Enable calls from interfaces: interfaces: Default call Default call destination: destination: Ventana de la figura A.16 Ventana de la figura A.16 Called number in: Called number in: Called number Called number out: out: Ruta 2: desde terminal 2 a terminal 1 Ventana de configuración del gateway A - Ventana de configuración del gateway B - llamada entrante llamada saliente Ventana de la figura A.15 Ventana de la figura A.15 Enable calls from Enable calls from interfaces: interfaces: Default call Default call destination: destination: Ventana de la figura A.16 Ventana de la figura A.16 Called number in: Called number in: Called number Called number out: out: Tabla Planilla para la configuración de las rutas 18

15 2.4.3 Por una red ethernet se transmitió el siguiente paquete de voz: d2 10 c1 2d a4 a4 af c f2 76 0a 0b 00 d4 0a 0b 00 cb f 0c f b7 1f 7a 01 3b 63 7a 2c 6a ae 5d 60 4e 70 b6 ae 36 3b 5a 9b 1c 75 bc 40 b7 ac 0d 58 3b 68 8f d7 1f 5c a0 78 La estructura de un paquete de voz en una red ethernet está dada por: Cabecera ETHERNET (14 bytes) Cabecera (20 bytes) IP Cabecera UDP (8 bytes) Cabecera RTP (12 bytes) Datos (20 a 160 bytes) Cabecera ETHERNET (4 bytes) Figura Estructura del paquete de voz sobre una red ethernet a) Descomponga el paquete de voz en los campos mostrados en la figura 2.6. Indique cuantos bytes componen la carga de datos. Indique las direcciones de hardware destino y fuente en código hexadecimal. Indique las direcciones IP del destino y fuente en formato punto decimal. b) Muestre los valores que componen la cabecera RTP y descompóngalo según la figura 2.7 mostrando los valores de los campos de versión, padding, X, CC, M, PT, sequence number, y timestamp. El campo Synchronization Source Identifier (SSRC) muéstrelo en hexadecimal. V P X CC M PT Sequence number Timestamp SSRC (hexadecimal) Figura Cabecera RTP i) Qué versión de RTP se está usando y por qué? ii) Cuántos bytes de relleno tiene el paquete de voz? iii) Cuál es el valor del bit X? Qué significa esto? iv) Qué valor tiene el campo sequence number? Para qué sirve este campo? Qué valor tendrá este campo en el próximo paquete de voz? v) Qué valor tiene el campo timestamp? Para qué sirve este campo? vi) Qué valor tiene el campo SSRC? Para que sirve este campo? 19

16 r ea d y l i n k a ct. P PP t el 1 t e l 2 IP DESARROLLO DE LA SESIÓN Configure el gateway B de la figura 2.7 para efectuar llamadas entre dos terminales RDSI anexados al mismo gateway, como se muestra en la figura Asigne los números de teléfono de acuerdo al rol de cada integrante sin dígito verificador. TEL1 innovaphone TEL2 1 IP Figura Telefonía IP entre terminales RDSI anexados al mismo gateway Luego realice una llamada por: a) Marcación por teclado. Al efectuar la llamada, envíe el siguiente mini mensaje: prueba de teléfono RDSI. Verifique que aunque no conteste la llamada, el mini mensaje queda memorizado en el repertorio de llamantes. b) Su repertorio (previamente crear un directorio). c) Llamada directa (previamente programe llamada directa). Guarde la traza y coméntela Configure los gateways A y B de la figura 2.7 para efectuar llamadas entre dos terminales RDSI conectados en distintos gateways Configure el NetMeeting y registre el PC en uno de los gateways para efectuar llamadas entre un terminal RDSI y un PC Configure el gateway A para efectuar llamadas entre el terminal RDSI y un teléfono conectado a la PBX Guarde la configuración de ambos gateways, en un archivo de texto, para la próxima sesión de laboratorio. 20

17 2.5.6 Efectúe una llamada con mensaje de texto y regístrela con el sniffer. Identifique los protocolos involucrados (ayúdese con los filtros). En cada protocolo indique lo siguiente: a) RAS: i) Qué terminal inicia la llamada? En cuál frame se indica? ii) Qué terminal finaliza la llamada? En cuál frame se indica? b) Q.931: i) Cuál octeto de la cabecera Q.931 muestra el tipo de mensaje (Setup, Call Proceeding, Alerting, Connect y Release Complete)? Qué valores tienen cada uno de estos mensajes? Indique en que frames se enviaron estos mensajes. ii) En cuál de los mensajes Q.931 se encuentra el mensaje de texto? (Indicación: filtre los paquetes Q.931, imprimir en un archivo, buscar la palabra clave, y luego visualizar con el sniffer). iii) En que frames se enviaron los mensajes de inicio de desconexión? c) H.245: i) Indique en que frames se envían los mensajes de capacidad (Capability), de determinación de terminales master-slave (MSD), de apertura y cierre de canales lógicos, y los mensajes de cierre de sesión (EndSession). ii) Cuál terminal quedo como master, y slave? En qué frames se indica? iii) En que frame se indica el término de sesión del terminal master? d) RTP: i) Cuál codec se está utilizando? Cuántos bytes de carga útil ocupa cada paquete de voz? Con qué valor se identifica este codec en el campo PT de la cabecera? ii) Visualice un paquete cualquiera e indique cuántos octetos de relleno contiene. iii) Observando el campo sequence number indique cuántos paquetes de voz fueron enviados por cada terminal. iv) Cada cuántos milisegundos se incrementa el campo timestamp? Por qué? v) Qué valores tiene el campo SSRC? Que sucede con estos valores en otra llamada, se mantienen o cambian? vi) Qué valores en decimal tiene el campo PT para los codecs G.711-A, G.711- U, G.729 y G.723.1? INFORME FINAL Presente un diagrama completo y detallado con las conexiones hechas en el laboratorio que incluya la siguiente información: 21

18 Dirección IP y máscara de red de los gateways y PC. Para cada gateway indique las interfaces BRI donde fueron conectados los teléfonos y la central, indique los números telefónicos asignados a los terminales y al PC, y las rutas configuradas en cada gateway Comente la traza de las llamadas hechas en el punto Presente y comente los resultados obtenidos en el laboratorio REFERENCIAS [Est01] [Com97] [Uni98] V. Estay, C. Frez, Estudio y aplicación del transporte de voz sobre intranet IP, Memoria de Título, UTFSM, D. Comer, Redes de Computadoras, Internet e Interredes, Prentice Hall, México, Unitronics Comunicaciones, El estándar VoIP Voz sobre IP, Madrid,