Voz y Video en Redes IP

Transcripción

1 Voz y Video en Redes IP Dr. Ing. José Joskowicz josej@fing.edu.uy

2 Multimedia sobre Redes de Datos Voz y Video en Redes IP

3 3 Paquetización de los flujos multimedia Para poder transmitir la información codificada de voz o video sobre redes de datos, es necesario armar paquetes. Es necesario juntar un conjunto apropiado de información para armar un paquete. Cada paquete tiene una cantidad mínima de información de control Cabezal del paquete Origen, destino Etc.

4 4 Transmisión de multimedia sobre redes de datos Flujo multimedia RTP Ventana UDP IP Ethernet Sobrecarga Sobrecarga

5 RTP Real Time Protocol Es un protocolo para transmisión de datos de tiempo real (audio y video) sobre IP Está estandarizado en el RFC 3550 Se basa en UDP Dr. Ing. José Joskowicz

6 6 RTP - Cabezal Version Padding extension CSRC count Payload Type V P X CC M PT Sequence number Timestamp synchronization source (SSRC) identifier contributing source (CSRC) identifiers. 32 bits

7 7 RTP - Cabezal Payload Type Payload Type Formato Medio Clock Rate 0 PCM mu-law Audio 8 khz 3 GSM Audio 8 khz 4 G.723 Audio 8 khz 8 PCM A-law Audio 8 khz 9 G.722 Audio 8 khz 13 Confort Noise Audio 14 MPEG Audio Audio 90 khz 15 G.728 Audio 8 khz 18 G.729 Audio 8 khz 26 Motion JPEG Video 90 khz 31 H.261 Video 90 khz 32 MPEG-1 o 2 Elementary Stream Video 90 khz 33 MPEG-1 o 2 Transport Stream Video 90 khz 34 H.263 Video 90 khz Dinámico

8 RTP - Cabezal Payload type Identifica el tipo de información que viaja en el paquete Indica el tipo de codificación de audio o video, o el contenido de información especial CN (Comfort Noise) Tipos dinámicos RFC 2833 (Tonos DTMF, tonos de Fax, etc.) Dr. Ing. José Joskowicz

9 9 RTP - Cabezal Sequence number ( 16 bits) Número secuencial, generado en el origen. Es usado por el receptor para detectar paquetes perdidos Time Stamp (32 bits) Marca horaria, del momento de la generación del primer byte de la muestra enviada en el paquete Synchronization Source Identifier (32 bits) Identifica el origen

10 10 Ejemplo RTP: Paquete de audio

11 RTCP RTP Control Protocol El RFC 3550 establece, además del protocolo RTP, un protocolo de control, RTCP Encargado de enviar periódicamente paquetes de control entre los participantes de una sesión Proveer realimentación acerca de la calidad de los datos distribuidos (por ejemplo, de la calidad percibida de VoIP). Dr. Ing. José Joskowicz

12 12 RTCP tipos de datos SR (Sender Report): Envía estadísticas de los participantes origen (sender) RR (Receiver Report): Envía estadísticas de los participantes destino (receivers) SDES (Source Description): Envía ítems de descripción del origen BYE: Indica el fin de la participación en el intercambio de mensajes RTCP APP: Funciones específicas para las aplicaciones participantes

13 13 RTCP Ejemplo de SR y SDES

14 Voz sobre Redes de Datos Voz y Video en Redes IP

15 15 CODECs de banda angosta Codec Nombre Bit rate (kb/s) Retard o (ms) Comentarios G.711 PCM: Pulse Code Modulation 64, Codec base, utiliza dos posibles leyes de compresión: µ-law y A-law G Hybrid MPC-MLQ and ACELP 6.3, Desarrollado originalmente para video conferencias en la PSTN, es actualmente utilizado en sistemas de VoIP G.728 LD-CELP: Low- Delay code excited linear prediction 40, 16, 12.8, Creado para aplicaciones DCME (Digital Circuit Multiplex Encoding) G.729 CS-ACELP: Conjugate Structure Algebraic Codebook Excited Linear Prediction 11.8, 8, Ampliamente utilizado en aplicaciones de VoIP, a 8 kb/s

16 16 CODECs de banda ancha Codec Nombre Bit rate (kb/s) Retardo (ms) G.722 Sub-band ADPCM 48,56,64 3 Comentarios Inicialmente diseñado para audio y videconferencias, actualmente utilizado para de telefonía de calidad en VoIP G Transform Coder 24,32 40 Usado en audio y videoconferencias G AMR-WB G Wideband G.711 G Wideband G a , 80, 96 8 a 32 kb/s <49 ms RtAudio Real Time Audio 8.8, Estandar en común con 3GPP (3GPP TS ). gran inmunidad a los ruidos de fondo en ambientes adversos (por ejemplo celulares) Amplía el ancho de banda del codec G.711, optimizando su uso para VoIP Amplía el ancho de banda del codec G.729, y es compatible hacia atrás con este codec. Optimizado su uso para VoIP con audio de alta calidad Codec propietario de Microsoft, utilizado en aplicaciones de comunicaciones unificadas (OCS)

17 17 CODECs de banda superancha Codec Nombre Bit rate (kb/s) Retardo (ms) Comentarios SILK SILK 8 a Utilizado por Skype

18 18 CODECs de banda completa Codec Nombre Bit rate (kb/s) Retardo (ms) Comentarios G.719 Low-complexity, full-band 32 a Es el primer codec fullband estandarizado por ITU

19 19 RTP Paquete de audio

20 20 RTP Ejemplo RFC 2833

21 21 RTP Ejemplo Comfort Noise

22 Ancho de banda para G ms de voz Ethernet IP (UDP + RTP) Et 22 bytes 40 bytes 160 bytes 4 bytes Ventana = 20 ms Bytes de voz/trama = 64 kb/s * 20 ms / 8 = 160 bytes Bytes de paquete IP = = 200 bytes Bytes de Trama Ethernet = = 226 bytes Ancho de banda LAN = 226 * 8 / 20 ms = 90.4 kb/s Este ancho de banda es para la voz en UN sentido. Se debe duplicar para tener en cuenta ambos sentidos Dr. Ing. José Joskowicz

23 Ancho de banda Bytes de voz/trama = Velocidad de muestreo * duración de trama /8 Bytes de paquete IP = Bytes de voz/trama + 40 Bytes de Trama Ethernet = Bytes de paquete IP + 26 Ancho de banda LAN = Bytes de Trama Ethernet * 8 / duración de trama Dr. Ing. José Joskowicz

24 24 Ancho de banda de LAN en un sentido Tipo de Codec Duración de Trama (ms) Bytes de voz/trama Bytes de paquete IP Bytes de trama Ethernet Ancho de Banda en LAN (kbps) G ,8 (64 kbps) , ,6 G ,8 (8 kbps) , ,6 G (6.3 kbps) ,9 G kbps ,9

25 Video sobre Redes de Datos Voz y Video en Redes IP

26 Comparación de codecs de video Característica MPEG-1 MPEG-2 MPEG-4 H.264/MPEG-4 Part 10/AVC Tamaño del macro-bloque 16x16 16x16, 16x8 16x16 16x16 Tamaño del bloque 8x8 8x 8 16x16 8x8, 16x8 8x8, 16x8, 8x16, 16x16, 4x8, 8x4, 4x4 Transformada DCT DCT DCT/DWT 4x4 Integer transfor Tamaño de la muestra para aplicar la transformada 8x8 8x8 8x8 4x4 Codificación VLC VLC VLC VLC, CAVLC, CABAC Estimación y compensación de movimiento Si Si Si Si, con hasta 16 MV Perfiles No Tipo de cuadros I,P,B,D I,P,B I,P,B I,P,B,SI,SP Ancho de banda < 1.5 Mbps 2 a 15 Mbps 64 kbps a 2 Mbps 64 kbps a 150 Mbps Complejidad del codificador Baja Media Media Alta Compatibilidad con estándares previos Si Si Si No Dr. Ing. José Joskowicz

27 27 Formatos de video Formato Resolución (pixels) SQCIF QCIF CIF CIF CIF VGA SD

28 Transmisión de video sobre redes de datos Las secuencias de video (Elementary Streams) son paquetizadas en unidades llamadas PES (Packetized Elementary Streams), consistentes en un cabezal y hasta 8 kbytes de datos de secuencia. Estos PES a su vez, son paquetizados en pequeños paquetes, de 184 bytes, los que, junto a un cabezal de 4 bytes (totalizando 188 bytes) conforman el MPEG Transport Stream (MTS) y pueden ser transmitidos por diversos medios. Dr. Ing. José Joskowicz

29 29 Transmisión de video sobre redes de datos RFC 2250: Establece los procedimientos para transportar video MPEG-1 y MPEG-2 sobre RTP. Varios paquetes MTS de 188 bytes pueden ser transportados en un único paquete RTP, para mejorar la eficiencia RFC 3016 y RFC 3640 Establecen los procedimientos para transportar flujos de audio y video MPEG-4 RFC 3984 Establece los procedimientos para transportar flujos de video codificados en H.264

30 30 MPEG-2 sobre RTP Payload Type: MTS (MPEG-2 Transport Stream) 7 paquetes MTS (MPEG-2 Transport Stream) dentro de un mismo paquete RTP

31 31 MPEG-2 sobre RTP Cabezal de MTS (4 bytes) Payload de MTS (184 bytes)

32 32 H.264 sobre RTP Payload del tipo dinámico Payload de H.264 (1430 bytes)

33 Ancho de Banda de Video El ancho de banda requerido depende de Tipo de codificación utilizada (MPEG-1, 2, 4, H264, etc.) Resolución (tamaño de los cuadros SD, CIF, QCIF, etc.) Tipo de cuantización seleccionado Movimiento Textura La codificación de video es estadística, y depende de la imagen transmitida Dr. Ing. José Joskowicz

34 34 Calidad vs Ancho de Banda MOS MOS (SD - MPEG-2) Bitrate (Mb/s) Serie1 Serie2 Serie3 Serie4 Serie5 Serie6 Serie7 Serie8 Serie9 Serie10 Serie11 Serie12 Serie13 Serie14 Serie15 Serie16

35 Ancho de banda en LAN para MPEG-2 con MTS Ethernet IP (UDP+RTP) MTS E 22 bytes 40 bytes 184 bytes 4 bytes (MTS Header) 7 x184 = 1288 bytes de contenido MPEG x 7 = 68 bytes de cabezales a nivel de capa 3 (IP) 26 bytes de cabezales adicionales a nivel de capa 2 Dr. Ing. José Joskowicz

36 Ancho de banda en LAN para MPEG-2 con MTS El ancho de banda de MPEG-2 transportado en RTP 5.3% (68/1288) mayor que el ancho de banda propio del video en capa 3 (IP) 7.3 % (94/1288) mayor que el ancho de banda propio del video en capa 2 (Ethernet) Dr. Ing. José Joskowicz

37 Ancho de banda en LAN para H.264 H.264 encapsulado directamente sobre RTP (sin utilizar TS) Se pueden enviar hasta 1430 bytes de payload en un paquete IP/UDP/RTP El ancho de banda en capa 3 es 2.8% (40/1430) mayor que el del propio video codificado En capa 2 es 4.6% (66/1430) mayor que el del propio video codificado. Dr. Ing. José Joskowicz

38 Calidad de Voz y Video Voz y Video en Redes IP

39 39 Evolución de la calidad percibida de la voz

40 Calidad de la voz La calidad de la voz sobre redes de paquetes se ve afectada por varios factores Compresión utilizada Pérdida de paquetes Demora Eco Jitter Dr. Ing. José Joskowicz

41 41 Pérdida de paquetes A diferencia de las redes telefónicas, donde para cada conversación se establece sobre un vínculo estable y seguro, las redes de datos admiten la pérdida de paquetes. En aplicaciones de voz y video el audio y video es encapsulado en paquetes y enviado, sin confirmación de recepción de cada paquete. Puede haber un porcentaje de paquetes que no llegan al destino Se escucha como interrupciones en la voz, o cortes de video

42 42 ITU-T G.711 Anexo I PLC PLC = Packet Loss Concealment Técnica que mitiga la pérdida de paquetes, tratando de reconstruir los paquetes perdidos

43 Demora (Delay) Se deben a: Codificación G.711 (64 kb/s) 0,13 0,75,ms G.728 (16 kb/s) 2.5 ms G.729 (8 kb/s) ms G (5.3 o 6.4 kb/s) 37.5 ms RTAudio < 40 ms Red (latencia) Cantidad de muestras/bytes por paquete Velocidad de transmisión Congestión Demoras de los equipos de red (colas en routers, gateways, etc.) Dr. Ing. José Joskowicz

44 44 Demora (Delay)

45 Jitter Es la variación en las demoras (latencias). Por ejemplo, si dos puntos comunicados reciben un paquete cada 20 ms en promedio, pero en determinado momento, un paquete llega a los 30 ms y luego otro a los 10 ms, el sistema tiene un jitter de 10 ms. El jitter afecta la percepción de la voz, y puede evitarse mediante buffers Los buffers agregan una demora adicional al sistema, ya que deben retener paquetes para poder entregarlos a intervalos constantes. Cuánto más variación de demoras (jitter) exista, más grandes deberán ser los buffers, y por lo tanto, mayor demora total tendrá el sistema. Dr. Ing. José Joskowicz

46 46 Demora y Jitter

47 47 Ejemplo: Softphone

48 Eco Tiempo transcurrido desde que se habla hasta que se percibe el retorno de la propia voz Si la demora de retorno es menor a 30 ms, o el nivel del retorno está por debajo de los 25 db, el efecto del eco no es percibido. Dado que las demoras de voz sobre redes de datos son altas, puede existir eco Dr. Ing. José Joskowicz

49 49 Eco

50 50 Cancelación de Eco ITU-T G.168: Digital Network Echo Cancellers

51 Medida de la calidad de voz en redes IP Para que la tecnología de VoIP pueda ser utilizada corporativamente, es esencial garantizar una calidad de voz aceptable. Para ello se han desarrollado métodos para medirla. Subjetivos Se basan en conocer directamente la opinión de los usuarios Objetivos Miden propiedades físicas de una red para prever o estimar la performance percibida por los usuarios Intrusivos No Intrusivos Dr. Ing. José Joskowicz

52 52 Métodos Subjetivos La calidad de la voz se establece a través de la opinión del usuario ACR: Absolute Category Rating Se califica el audio con valores entre 1 y 5, siendo 5 Excelente y 1 Malo MOS (Mean Opinión Score) es el promedio de los ACR medidos entre un gran número de usuarios DCR: Degradation Category Rating Se califica entre 1 y 5, siendo 5 cuando no hay diferencias apreciables entre el audio de referencia y el medido y 1 cuando la degradación es muy molesta DMOS (Degradation MOS) el promedio de los valores DCR medidos entre un gran número de usuarios

53 Métodos Objetivos: ITU-T G.107 E-Model La ITU ha definido un modelo, llamado E- Model (ITU-T G.107), para estimar la calidad de la voz sobre redes de paquetes, teniendo en cuenta factores medibles de la red El resultado del E-Model es un valor escalar llamado R, que puede ser directamente relacionado con el MOS (ITU-T P.800) Dr. Ing. José Joskowicz

54 54 R versus MOS

55 55 Definición de R R = Ro - Is - Id Ie + A Ro =Fuentes de ruido independientes del sistema Ruido ambiental, tanto en el origen como en el destino El máximo teórico es 100 Is = Deterioro simultáneo a la generación de la señal digital Volumen excesivo, distorsión de cuantización Id = Deterioro casusado por las demoras Demoras, Jitter, Eco Ie = Deterioro causado por equipos especiales Codec, pérdidas de paquetes A = Factor de Mejoras de Expectativas

56 56 MOS según el Codec STD Kbps Algoritmo MOS Observaciones Retardo Uso de 1 a 5 Encoding CPU Toll Quality 4 a 5 Telefonía analógica - - G PCM 4,4 Telefonía digital 0,75 ms - G.726/7 40/32/24/16 ADPCM 4,2 Telefonía digital comprimida 1 bajo G LD-CELP 3,6 Low Delay-Code Excited Linear Prediction bajo muy alto G CS-ACELP 4,2 VoIP/FR/ATM Netmeeting 15 ms alto G.729A 8 CS-ACELP 3,7 VoIP/FR/ATM Netmeeting 15 ms alto G ,3 ACELP 3,5 VoIP/FR/ATM Netmeeting 37,5 ms moderado G ,4 MP-MLQ 3,98 VoIP/FR/ATM Netmeeting 37,5 ms moderado

57 57 Efectos del Codec y la Demora

58 Efecto del Eco y la demora User Satisfaction Very satisfactory Satisfactory R Some users dissatisfied TELR = 65 db TELR = 60 db TELR = 55 db 60 Many users dissatisfied TELR = 50 db TELR = 45 db Exceptional limiting case One-way Delay (ms) TELR = Talker Echo Loudness Rating. Cuanto más atenuado el eco percibido (mayor valor en db de TELR), menor efecto tiene el eco sobre la degradación Dr. Ing. José Joskowicz

59 59 Efectos de la Demora y la Pérdida de paquetes

60 60 Efectos de la Demora y la Pérdida de paquetes

61 61 Estimación de A Ejemplo de sistema de comunicación Valor máximo de A Convencional (alámbrico) 0 Movilidad mediante redes celulares en un edificio Movilidad en una zona geográfica o en un vehículo en movimiento 5 10 Conexión con lugares de difícil acceso, por ejemplo, mediante conexiones de múltiples saltos por satélite 20

62 62 Factor R en paquetes RTCP

63 Calidad de Video Varios tipos de degradaciones suelen presentarse en las señales de video transmitidas sobre redes de paquetes A su vez, varios tipos de degradaciones obedecen al método de codificación utilizado El estudio en esta área es todavía un tema de investigación. Dr. Ing. José Joskowicz

64 64 Degradaciones en video digital Efecto de bloques (blocking) Efecto de imagen de base (basis image) Borrosidad o falta de definición (Blurring) Color bleeding (Corrimiento del color) Efecto escalera y Ringing Patrones de mosaicos (Mosaic Patterns) Contornos y bordes falsos Errores de Compensaciones de Movimiento (MC mismatch) Efecto mosquito Fluctuaciones en áreas estacionarias Errores de crominancia

65 65 Pérdida de paquetes

66 ITU-T G.1070: Opinion Model for video-telephony applications Aprobada por ITU-T en abril 2007, sobre la base de propuestas de NTT Propone un algoritmo de estimación de la calidad de video teléfonos en ambientes de redes de datos Para ser utilizada como herramienta de diseño o planificación Estima tres parámetros de calidad Sq Speech Quality Vq Video Quality MMq Multimedia Quality Dr. Ing. José Joskowicz

67 67 ITU-T G.1070 Framework

68 68 ITU-T G.1070: Coeficientes para cada Codec

69 ITU-T G.1070: Sq Básicamente se reduce al E-Model, simplificado Q = Ro - Id Ie,eff Sq = f(q), similar al E-Model Los efectos de la demora se incluyen en el MMq, y por lo tanto, se excluyen del Sq Dr. Ing. José Joskowicz

70 ITU-T G.1070: Vq Se propone V q 1 I c e P D plv Pplv Ic = f (codec, bitrate, frame rate) DPplV = f (codec, bitrate, frame rate) Dr. Ing. José Joskowicz

71 ITU-T G.1070: MMq Se propone MM q m MM 1 SV m2mmt m3mm SVMMT m4 Calidad AudioVisual MMSV = f (Vq, Sq) Efectos de las demoras MMT = f (Speech Delay, Video Delay) Dr. Ing. José Joskowicz

72 Calidad de Servicio en Redes de Datos Voz y Video en Redes IP

73 Impacto de las aplicaciones Multimedia en las Redes IP La calidad percibida por los usuarios (Calidad de la Experiencia - QoE) se ve afectada por diversos factores Ancho de banda Pérdida de paquetes Demoras Jitter (Variación de la demora) Es necesario adecuar las redes de datos para soportar este tipo de aplicaciones, implementado estrategias de manejo de calidad de servicio (QoS Quality of Service) Dr. Ing. José Joskowicz

74 Calidad de Servicio (QoS) Técnicas utilizadas Priorización A nivel de capa 2, capa 3, capa 4, etc. Fragmentación Necesaria en enlaces de baja velocidad Control de los retardos máximos Fundamental para la calidad conversacional Dr. Ing. José Joskowicz

75 75 Problemas en enlaces de baja velocidad 100 Mb/s 1 Mb/s LAN Router WAN Router La diferencia de velocidades hace necesario formar Colas

76 76 Problemas en enlaces compartidos 100 Mb/s Up-link LAN Switch Switch Servers La concurrencia sobre un mismo uplink hace necesario formar Colas

77 77 Problemas en enlaces compartidos WAN o Up-link LAN Cola

78 Priorización Permite marcar tramas, paquete o cierto tipo de tráfico con diferentes prioridades En los switchs o routers se pueden formar varias colas, según las prioridades de los paquetes Dr. Ing. José Joskowicz

79 79 QoS en Capa 2 Las recomendaciones IEEE 802.1q y IEEE 802.1p incorporan 4 bytes adicionales a las tramas Ethernet, donde se puede incluir información acerca de VLANs y etiquetas que identifican la prioridad de la trama.

80 Tramas 802.1q SFD Trama normal Preámbulo S F D Dir Origen Dir Destino L Datos / Relleno FCS SFD Trama 802.1q Preámbulo S F D Dir Origen Dir Destino L T T Datos / Relleno FCS P C I I Tag Protocol Identifier Tag Control Information Dr. Ing. José Joskowicz

81 81 Campo TCI Tag Control Information TCI CFI PR VLAN ID PR = Prioridad CFI = Canonical Format Indication VLAN ID = Identificador de VLAN (LAN Virtual)

82 82 Prioridad en 802.1p Permite 8 prioridades: 0-7

83 83 Prioridad en 802.1p Colas Prioridad = 0 Prioridad = 1 Prioridad = 3 Prioridad = 4 Prioridad = 5 Salida (ordenada por prioridad) Prioridad = 6 Prioridad = 7

84 84 Estrategias de encolamiento y priorización FIFO (First In, First Out) El primer paquete que haya ingresado en una cola, es el primero en salir. PQ (Priority Queuing) La salida de los paquetes se realiza según el orden estricto de prioridad, y dentro de cada prioridad, según el orden de llegada. Este tipo de encolamiento puede hacer que, si existe siempre tráfico de alta prioridad, el tráfico de baja prioridad nunca sea enviado. FQ (Fair Queuing) Es un esquema en el que cada cola se accede en forma circular, asegurando una distribución uniforme de ancho de banda entre todas las colas.

85 Estrategias de encolamiento y priorización WRR (Weighted Round Robin) Permite asignar diferentes anchos de banda a cada cola. WFQ (Weighted Fair Queuing) Es una combinación de PQ y FQ, garantizando que aplicaciones de alto tráfico no monopolicen el enlace. Dr. Ing. José Joskowicz

86 VLAN Muchos switches de datos permiten implementar cierta priorización del tráfico basado en VLANs De esta forma, se puede poner a todos los dispositivos de VoIP en la misma VLAN, y darle prioridad frente al tráfico de otras VLANs, dedicadas a aplicaciones de datos Adicionalmente, en este caso el tráfico de voz no se ve afectado por el de datos Dr. Ing. José Joskowicz

87 QoS en Capa 3 DiffServ (Differentiated Services) es comúnmente utilizado para gestionar prioridad en los paquetes La información de priorización se encuentra en el cabezal del paquete IP, en un campo llamado TOS (Type Of Service) Dr. Ing. José Joskowicz

88 88 Cabezal IP con TOS Versión Largo TOS Largo total del cabezal Resto del cabezal IP DSCP ECN 6 2 DSCP = Differentiated Services Code Point ECN = Explicit Congestion Notification

89 DSCP Es posible codificar hasta 2 6 = 64 posibles prioridades. De éstas, 32 están reservadas para usos experimentales 32 pueden ser utilizadas 21 están estandarizadas por el IETF Las prioridades estandarizadas se dividen en 3 grupos Dr. Ing. José Joskowicz

90 90 DSCP DE (DEfault) Se asume el comportamiento por defecto, utilizando por tanto técnicas de encolamiento de mejor esfuerzo. El valor típico de DSCP para este tipo de tráfico es AF (Assured Forwarding) Estandarizado en el RFC 2597, donde se definen 4 clases de prioridades dentro de este tipo de priorización. EF (Expedited Forwarding) Estandarizado en el RFC 3246, establece las máximas prioridades para el tráfico marcado con este identificador. El valor típico de DSCP utilizado es (46 decimal).

91 91 Ejemplo: Zoiper

92 ECN Permite conocer el estado de congestión del destino. Es utilizado para que el destino pueda indicarle a la fuente, aún antes de perder paquetes, que existe cierto estado de congestión, de manera que la fuente pueda tomar los recaudos apropiados, por ejemplo, disminuyendo el ancho de banda utilizado. ECN = 11 indica que existe congestión ECN = 10 o 01 indican que no existe congestión. ECN = 00 indica que el extremo distante no soporta la función de notificación de congestión. Dr. Ing. José Joskowicz

93 Otros mecanismos de priorización en Capa 3 RSVP (Resource Reservation Protocol) Establece los mecanismos para reservar cierto ancho de banda en la comunicación entre dispositivos que pasen a través de routers. El tráfico también puede ser priorizado en base a la dirección IP de origen o destino. Esto puede ser implementado cuando se utilizan direcciones IP estáticas. Dr. Ing. José Joskowicz

94 94 QoS en Capa 4 y superiores Los paquetes de datos pueden ser priorizados en base a los puertos TCP o UDP. Sin embargo, diferentes aplicaciones podrían utilizar los mismos puertos, por lo que este tipo de priorizaciones debe ser evaluada en cada caso. Es posible también tener prioridades según el protocolo de capas superiores. Por ejemplo, puede ser priorizado el tráfico RTP respecto a otros, y asignarlo a las colas de alta prioridad.

95 Fragmentación Prioridad = 2 Varias Colas Prioridad = 1 Paquete largo de baja prioridad Enlace de baja velocidad Las colas y prioridades no resuelven el problema de paquetes largos sobre enlaces de baja velocidad Es necesario Fragmentar Dr. Ing. José Joskowicz

96 96 Fragmentación 64 kb/s WAN Colas bytes / 64 kb/s = 187 ms Paquete de más de 1500 bytes

97 97 Fragmentación Trama [Bytes] Ethernet MTU Paq. de Voz Velocidad Tiempo Tiempo [Kbps] [ms] [ms] ,50 4, ,75 2, ,88 1, ,44 0, ,72 0, ,86 0, ,35 0, ,08 0, ,02 0,00 Requiere fragmentación en las tramas de datos

98 98 Retardos punta a punta para la voz Paq: 1500/100 bytes 64 Kb 64 Kb 2 Mb DTE DTE Ttrans / 12.5 ms 6 / 0,4 ms / 12.5 ms Tcola (2 paq) 375 / 25 ms 12 / 0,8 ms 375 / 25 ms Codec (G.723) 30 ms Total paquete 1500 bytes (sin colas): =381 ms Total paquete voz 100 bytes G.723 (sin colas): = = 55.4 ms

99 VoWLAN Voz y Video sobre Redes Inalámbricas Voz, Video y Telefonía sobre IP

100 100 VoWLAN Las tecnologías de voz sobre redes de datos inalámbricas se conocen generalmente como VoWLAN (Voice over Wireless LAN) o VoWi-Fi (Voz sobre Wi-Fi) Está comenzando a incrementarse la demanda de esta tecnología en el mercado corporativo Sin embargo, este tipo de tecnologías presentan desafíos adicionales para obtener una calidad aceptables

101 101 Recomendaciones IEEE Resumen histórico Recomendación Año Descripción Hasta 2 Mb/s en la banda de 2.4 GHz a 1999 Hasta 54 Mb/s en la banda de 5 GHz b 1999 Hasta 11 Mb/s en la banda de 2.4 GHz g 2003 Hasta 54 Mb/s en la banda de 2.4 GHz n 2009 Hasta 600 Mb/s en las bandas de 2.4 GHz y 5 GHz con tecnología MIMO Hasta 1300 Mb/s en la banda de 5 GHz con tecnología ac 2013 MultiUser-MIMO

102 102 Arquitectura Distribution System Access Point AP AP Basic Service Set (Celda)

103 103 Modelo de capas AP LLC Relay MAC MAC MAC PHY Wireless PHY PHY Ethernet LAN

104 Capa Física Especificada para 1 y GHz. Utiliza las técnicas FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) o DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) b Es una extensión de y trabaja también a 5.5 y 11 Mb/s. Utiliza CCK (Complementary Code Keying) con modulación QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) y tecnología DSSS (Direct-Sequence Spread Spectrum). Soporta cambios de velocidad dinámicos Se conoció como Wi-Fi Dr. Ing. José Joskowicz

105 105 Capa Física a Es una extensión de b, y trabaja hasta 54 Mb/s en la banda de los 5 GHz. Utiliza técnicas de multiplexación ortogonal por división de frecuencia (OFDM), en vez de FHSS o DSSS g Es una extensión de b, y trabaja hasta 54 Mb/s en la misma banda que b (2.4 GHz). Utiliza técnicas de multiplexación ortogonal por división de frecuencia (OFDM).

106 106 Capa Física n Incorpora técnicas de antenas MIMO (Multiple Input Multiple Output). Trabaja en las bandas de 2.4 GHz y 5 GHz, con técnicas de modulación OFDM, llegando hasta 600 Mb/s ac Agrega la técnica MU-MIMO (Multi User MIMO), llegando a velocidades de 1.3 Gb/s en la banda de 5 GHz

107 107 MIMO y MU-MIMO

108 Desafíos en VoWLAN Cobertura Movilidad Calidad de Servicio Capacidad Seguridad Dr. Ing. José Joskowicz

109 Cobertura La cobertura de las redes WLAN muchas veces se limita a las áreas donde se conectan los usuarios (salas de reuniones compartidas, recepción, etc.) Bajas señales de radio frecuencia son soportadas por las aplicaciones típicas de datos (correo electrónico, navegación en Internet, etc.), aún con tasas de errores elevadas Dr. Ing. José Joskowicz

110 110 Cobertura Las aplicaciones de telefonía móvil requieren una cobertura extendida, en escaleras, pasillos, áreas de descanso, y diversos sectores donde típicamente no eran áreas de trabajo para conexión de laptops Los AP deben ser ubicados de tal forma que sus áreas de cobertura se solapen lo suficiente para que no se produzcan cortes o interrupciones en la comunicación

111 111 Movilidad El proceso de Roaming es lento. A nivel de cada 2: búsqueda de un nuevo AP re-asociación re-autenticación (IEEE x ) La re-autenticación es el proceso que mas demora (de cientos de milisegundos a varios segundos) La IEEE r (de 2008) mejora los tiempos de re-autenticación

112 Movilidad A nivel de cada 3: búsqueda de un nuevo AP re-asociación re-autenticación (IEEE x ) renovación de dirección IP La renovación de dirección IP puede llevar varios segundos (DHCP) Existen mecanismos propietarios para bajar estos tiempos Dr. Ing. José Joskowicz

113 113 Calidad de Servicio Cuando la red inalámbrica se comparte entre aplicaciones de voz y de datos, la calidad de la voz y el video pueden verse fuertemente afectadas, debido a que los paquetes de datos pueden ser excesivamente largos, a velocidades de transmisión relativamente bajas, generando por tanto demoras y jitter mayores a lo que se produce en redes cableadas

114 Calidad de Servicio IEEE e (2005) establece dos nuevas estrategias de acceso al medio, para asegurar la calidad de servicio EDCA (Enhanced Distributed Control Access) Establece 4 categorías de acceso: voz, video, mejor esfuerzo y background HCCA (Hybrid Controlled Channel Access) Sistema centralizado de control que permite a las aplicaciones reservar recursos de red basados en sus características de tráfico Dr. Ing. José Joskowicz

115 115 WMM Wi-Fi Multi Media Basado en EDCA, establece 4 categorías de acceso

116 116 WMM Wi-Fi Multi Media

117 Capacidad La cantidad máxima de llamadas en determinada área será función de la cantidad de usuarios en dicha área, y de las reglas de tráfico habituales en telefonía La capacidad de las redes WLAN está esencialmente determinada por la cantidad de canales de RF no solapados y la densidad de APs instalados Dr. Ing. José Joskowicz

118 118 Capacidad Agregando APs que utilicen canales de RF que no interfieran (que no se solapen en la frecuencia) se incrementa la capacidad en un área determinada Si los canales se solapan, agregar más APs genera interferencia de RF, lo que termina disminuyendo la capacidad b/g tienen únicamente 3 canales de RF que no se solapan a tiene de 8 a 20 canales de RF que no se solapan

119 Protocolos de VoIP H.323 Voz y Video en Redes IP

120 H.323 Es un estándar base para las comunicaciones de audio, video y datos a través de redes IP que no proveen calidad de servicio garantizada La primera versión fue aprobada en 1996 por la ITU. La versión 7 fue aprobada en diciembre de 2009 Es parte de las recomendaciones H.32x (como por ejemplo H.320 para ISDN y H.324 para la PSTN) Dr. Ing. José Joskowicz

121 121 Arquitectura de H.323

122 Componentes de H.323 Terminales Gateways ( pasarelas ) Gatekeepers Multipoint Control Units ( Unidades de control multipunto, para conferencias ) Dr. Ing. José Joskowicz

123 Terminales H.323 Son los telefonos multimedia IP Deben soportar comununicaciones de voz, y opcionalmente comunicaciones de video y datos. Pueden ser equipos stand alone conectados directamente a la LAN, o software de PC. Dr. Ing. José Joskowicz

124 124 Terminal H.323 Alcance de H.323 Micrófono Parlante Audio Codec G.711, G.722, G.723, G.728, G.729 Cámara Display Video Codec H.261, H.263 RTP RTCP UDP Equipos de datos Intrerfaz de datos T.120 Control Canal de control H.245 IP Control Interfaces de usuario Canal de señalización H,225.0 (Q.931) Canal de RAS H TCP

125 125 Estándares de Control H.245 Describe los mensajes y procedimientos para abrir y cerrar canales lógicos para audio, video y datos, y para realizar el control de las comunicaciones Q.931 (H.225.0) Protocolo de control de conexiones (similar a ISDN) RAS Registration/Admission/Status: Protocolo de comunicacion con el Gatekeeper RTP / RTCP Real-Time Protocol / Real-Time Control Protocol : Protocolo que define los procedimientos para manejar datos de tiempo real

126 126 Gateways Realiza funciones de interconexión entre sistemas H.323 y sistemas de otro tipo (por ejemplo redes ISDN o PSTN)

127 Gatekeeper Actúa como punto central de las llamadas de una determinada zona (como PBX virtual ). Funciones de control: Traducción de direcciones Gerenciamiento del ancho de banda Ruteo de llamadas H.323 Dr. Ing. José Joskowicz

128 Funciones obligatorias de Gatekeepers Traducción de direcciones De números de teléfonos o nombres a direcciones de red Control de Admisión Autorización de uso a los diversos dispositivos (terminales, gateways, MCUs) Control de Ancho de banda Manejo del ancho de banda permitido para cada servicio y/o terminal Dr. Ing. José Joskowicz

129 Funciones opcionales de Gatekeepers Autorización de llamadas Control de llamadas (con fines administrativos - costos) Control de la señalización Otras funciones, de acuerdo a criterios de los fabricantes Dr. Ing. José Joskowicz

130 Multipoint Control Units Soporta conferencias entre 3 o más puntos Consiste de: MC: Multipoint Controller Encargado de la señalización H.245 entre los terminales MP: Multipoint Processors Encargado de mezclar y procesar audio video y/o datos Dr. Ing. José Joskowicz

131 Tipos de conferencias Centralizadas Utiliza MCU para centralizar el control y contenido de la conferencia (dispone de MC y MP centralizado). La comunicación es siempre punto a punto Descentralizadas Utilizan la tecnología de Multicast, donde el audio y video es enviado por cada terminal a todos los otros (utiliza MC y no MP) Hibridas Conjuga los modos anteriores Dr. Ing. José Joskowicz

132 132 Esquema de un MCU en H.323

133 133 H.323 en el modelo OSI

134 134 Direct Call

135 135 Direct Call

136 136 Direct Call

137 137 Direct Call

138 138 Gatekeeper Routed

139 139 Gatekeeper Routed

140 140 Gatekeeper Routed

141 141 Gatekeeper Routed

142 Fast Connect Con este procedimiento el terminal que origina una llamada pude proponer un conjunto de canales de medios para su inmediata apertura en el mensaje de establecimiento (setup) H.225 Se utiliza el campo faststart, lo que permite encapsular mensajes de apertura de canales de medios H.245 (openlogicalchannel) Dr. Ing. José Joskowicz

143 143 Ejemplo de captura H.323

144 Protocolos de VoIP SIP Voz y Video en Redes IP

145 145 SIP En marzo de 1999 es aprobado el RFC 2543, por el grupo de estudio MMUSIC (Multiparty Multimedia Session Control ) del IETF, dando origen oficial al protocolo SIP (Session Initiaton Protocol) SIP tiene sus orígenes a fines de 1996, como un componente del Mbone (Multicast Backbone) El Mbone, era una red experimental montada sobre la Internet, para la distribución de contenido multimedia, incluyendo charlas, seminarios y conferencias de la IETF. Uno de sus componentes esenciales era un mecanismo para invitar a usuarios a escuchar una sesión multimedia, futura o ya establecida. Básicamente un protocolo de inicio de sesión (SIP). En junio de 2002, el RFC 2543 fue reemplazado por un conjunto de nuevas recomendaciones, RFC

146 Filosofía de SIP Estándar de Internet Promocionado por IETF - Reutilizar la tecnología de Internet: URLs, DNS, proxies Reutilizar el código HTTP Textual, sencillo de implementar y depurar Dr. Ing. José Joskowicz

147 147 Mensajería SIP La mensajería SIP está basada en el esquema Request Response de HTTP. A diferencia de H.323, todos los mensajes son de texto plano, y por lo tanto fáciles de interpretar Para iniciar una sesión se envía un mensaje de Request a una contraparte de destino. El destino recibe el Request, y lo contesta con el correspondiente Response.

148 148 Ejemplo de una llamada SIP INVITE con SDP 100 Tryinig 180 Ringing 200 OK con SDP ACK RTP Audio G.729 INVITE SIP/2.0 From: To: SIP/ Trying Medios SDP: SIP/2.0 G Ringing SIP/2.0 MPEG-I 200 VideoOK Establecimiento de la llamada Medios SDP: G.729 ACK SIP/2.0:5060 MPEG-I Video Flujo de datos RTP Video MPEG-1 BYE 200 OK BYE SIP/2.0:5060 Finalización de la SIP/2.0 llamada 200 OK

149 149 SIP Requests Los mensajes de Request tiene el formato: <Método> <URL> <SIP-Version> Ejemplo: INVITE SIP/2.0 Método INVITE ACK OPTIONS BYE CANCEL REGISTER SUBSCRIBE NOTIFY Descripción A session is being requested to be setup using a specified media Message from client to indicate that a successful response to an INVITE has been received A Query to a server about its capabilities A call is being released by either party Cancels any pending requests. Usually sent to a Proxy Server to cancel searches Used by client to register a particular address with the SIP server Used to request status or presence updates from the presence server Used to deliver information to the requestor or presence watcher.

150 SIP Requests Método REFER MESSAGE UPDATE INFO PRACK Descripción Used to referring the remote user agent to a web page or another URI Used to transport instant messages (IM) using SIP Used to modify the state of a session without changing the state of the dialog Used by a user agent to send call signaling information to another user agent with which it has an established media session Provisional ACK. Used to acknowledge receipt of reliably transported provisional responses (1xx) Dr. Ing. José Joskowicz

151 SIP Responses Las respuestsa SIP son del estilo HTTP: <SIP-Version> < Status-Code> <Reason> Ejemplo: SIP/ Not Found Respuesta 1xx 2xx 3xx 4xx 5xx 6xx Descripción Informational Request received, continuing to process request. (100 Trying 180 Ringing 181 Call is Being Forwarded ) Success Action was successfully received, understood and accepted. (200 OK ) Redirection Further action needs to be taken in order to complete the request. Client Error Request contains bad syntax or cannot be fulfilled at this server. Server Error Server failed to fulfill an apparently valid request. Global Failure Request is invalid at any server. Dr. Ing. José Joskowicz

152 152 Ejemplo: INVITE INVITE SIP/2.0 Via:SIP/2.0/UDP pc33.montevideo.com:5060;branch=z9hg4bk776asdhds Max-Forwards: 70 To: Pepe From: Alicia Call-ID: CSeq: INVITE Cabezal Contact: Content-Type: application/sdp Content-Length: 142 v=0 o=agarcia IN IP s=phone Call c=in IP t=0 0 m=audio RTP/AVP 0 a=rtpmap:0 PCMU/8000

153 153 Ejemplo: INVITE INVITE SIP/2.0 Via:SIP/2.0/UDP pc33.montevideo.com:5060;branch=z9hg4bk776asdhds Max-Forwards: 70 To: Pepe From: Alicia Call-ID: CSeq: INVITE Contact: Content-Type: application/sdp Content-Length: 142 v=0 o=agarcia IN IP s=phone Call c=in IP t=0 0 m=audio RTP/AVP 0 a=rtpmap:0 PCMU/8000 Cuerpo SDP

154 Cabezal Tienen un formato del tipo Campo: Valor Via: SIP/<version>/<transporte> hostname:port;branch=<transaction numer> Via:SIP/2.0/UDP pc33.montevideo.com:5060;branch=z9hg4bk776asdhds Max-Forwards: <numero> To: <dirección SIP> From: <dirección SIP> Dr. Ing. José Joskowicz

155 155 Cabezal Direcciones SIP: Utiliza el formato de URLs de Internet Uniform Resource Locators El formato general es Ejemplos: sip:jose.m. Perez

156 Cabezal Call-ID: CSeq: <numero> <metodo> Contact: <dirección SIP> Content-Type: <tipo de contenido y formato del cuerpo> Content-Length: <largo del cuerpo> Dr. Ing. José Joskowicz

157 Cuerpo SDP El formato de cada renglón de SDP es <tipo>=<valor> <tipo> es siempre un único carácter, y se diferencian mayúsculas de minúsculas El formato de <valor> depende del <tipo> al que corresponda Dr. Ing. José Joskowicz

158 158 Cuerpo SDP Versión del protocolo (v) Origen (o) o=<username> <session id> <version> <network type> <address type> <address> Nombre de la sesión (s) Datos de la conexión (c) c=<network type> <address type> <connection address> Medios (m) m=<media> <port> <transport> <fmt list>

159 159 SIP Clients and Servers SIP utiliza una arquitectura cliente / servidor Elementos: SIP User Agents (Teléfonos SIP) SIP Servers SIP Gateways: Hacia la PSTN para interconectar el mundo SIP al mundo TDM Hacia H.323 para realizar interoperabilidad en el mundo IP Clientes Origina mensajes Servidores Responden a los mensajes o los redireccionan

160 160 SIP Clients and Servers - 2 Entidades lógicas SIP: User Agents User Agent Client (UAC): Inician requerimientos SIP User Agent Server (UAS): Retornan respuestas SIP Network Servers Registrar: Acepta registraciones de clientes Proxy: Decide el próximo salto y redirecciona el requerimiento Redirect: Envía la dirección del próximo salto al cliente Location: Servidor de búsqueda Presence: Servidor de presencia

161 161 Ejemplos con Proxy Server

162 162 Ejemplos con Proxy Server SIP User Agent Client INVITE 200 OK SIP Proxy Server INVITE 200 OK SIP User Agent Server ACK Media Stream BYE 200 OK host.fing.com server.fing.com sip.abc.com

163 163 Ejemplos con Redirect Server

164 164 Ejemplos con Redirect Server SIP User Agent Client SIP Redirect Server REGISTER SIP User Agent Server INVITE 200 OK 302 Moved ACK C 1 2 RS INVITE sip:pepe@ucla.com 3 UAS 180 Ringing 200 OK ACK host.fing.com.uy Media Stream Media Stream server.fing.com.uy sip.ucla.com

165 165

166 166 Comparación H SIP H.323 SIP Standard de ITU RFC de IETF Primera versión de 1996 Primer RFC de 1999 Originalmente diseñado para comunicaciones multimedia sobre redes Mensajes con representación binaria Protocolos complejos Basado en Q.931 (ISDN) Utiliza RTP y RTCP Amplia difusión, pero disminuyendo Originalmente diseñado para establecer sesiones Mensajes con representación textual Protocolos simples No basado en protocolos telefónicos Utiliza RTP y RTCP Amplia difusión, en aumento

167 Protocolos Propietarios de VoIP Voz y Video en Redes IP

168 168 SCCP (Skinny Call Control Protocol) Es un protocolo de señalización propietario de Cisco, utilizado entre su servidor de telefonía ( Call Manager ) y los teléfonos.

169 IAX2 (Inter-Asterisk exchange protocol) Es un protocolo de señalización propietario de Asterisk, utilizado para la conexión de varios servidores Asterisk, y también utilizando entre el servidor de telefonía Asterisk y los teléfonos. Está publicado en carácter informativo en el RFC 5456 de la IETF. Dr. Ing. José Joskowicz

170 Unistim Es un protocolo propietario de Avaya (antes Nortel). Originalmente fue diseñado como protocolo digital, y posteriormente migrada a IP Es utilizado entre los teléfonos Avaya y el componente Signaling Server, parte del core de los sistemas Communication Server 1000 Dr. Ing. José Joskowicz

171 NOE Es un protocolo Propietario de Alcatel: New Office Environment Se utiliza entre los teléfonos Alcatel y el procesador central de la PBX Alcatel Dr. Ing. José Joskowicz

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173 Muchas Gracias! Dr. Ing. José Joskowicz