UNIVERSIDAD FRANCISCO GAVIDIA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA TRABAJO DE GRADUACIÓN DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN LABORATORIO DE VOZ SOBRE EL PROTOCOLO DE INTERNET PRESENTADO POR: DAVID RENÉ AGUILAR IRAHETA ANGEL AMÍLCAR FIGUEROA LANDAVERDE JAIME EULICES GONZÁLEZ TEJADA PARA OPTAR AL GRADO DE: INGENIERO EN TELECOMUNICACIONES SAN SALVADOR, EL SALVADOR CENTROAMÉRICA JUNIO 2008 1
UNIVERSIDAD FRANCISCO GAVIDIA FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA RECTOR: ING. MARIO ANTONIO RUIZ RAMÍREZ SECRETARIA GENERAL: LICDA. TERESA DE JESÚS GONZÁLEZ DE MENDOZA DECANO: ING. ELBA PATRICIA CASTANEDO DE UMAÑA 2
UNIVERSIDAD FRANCISCO GAVIDIA TRABAJO DE GRADUACIÓN FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA DECANO: ING. ELBA PATRICIA CASTANEDO DE UMAÑA ASESOR: ING. JOSÉ RAÚL PINEDA LEMUS JURADO EVALUADOR: ING. LUIS GUSTAVO CISNEROS PANIAGUA ING. JAIME RICARDO HERNÁNDEZ LINARES ING. LEOPOLDO FEDERICO SILIEZAR LEDEZMA 3
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AGRADECIMIENTOS A Dios todo poderoso, por sostenerme en los momentos más difíciles de mi vida y concederme la fortaleza para alcanzar esta meta, ya que sin el nada hubiera sido posible. A mi Esposa, Claudia Ofelia, por el apoyo y comprensión en todo momento. A mis hijos, Valeria María y David Alejandro, por ser la fuente de mi motivación para alcanzar esta meta. A mis padres, René Aguilar y Coralia Iraheta por sus sacrificios y el apoyo incondicional que me brindaron. A mi familia en general, por las palabras de aliento y la confianza manifestada a mi persona. A mis compañeros, Jaime y Amílcar, por haber trabajado incansablemente en todo el desarrollo del proyecto que nos habíamos propuesto, pero sobre todo por la amistad brindada. David René Aguilar Iraheta. 5
AGRADECIMIENTOS A mi Dios todopoderoso, por haberme dado el coraje y la fuerza para salir adelante con esta meta, y por haber cuidado de mi familia y de mí, en los momentos más difíciles que hemos atravesado. A mi madre Lucía Landaverde (Q.D.D.G.), quien siempre fue mi apoyo incondicional, y que hasta el último momento de su vida, estuvo dedicada y orgullosa de sus hijos. A mi padre Francisco Figueroa, a quien le debo todo lo que soy, y a quien hoy entrego con todo mi amor, respeto y cariño mi título profesional. Te agradezco todo el respaldo, amor y ejemplo del mejor padre que se pueda tener. A mi esposa Hortensia, por apoyarme a lo largo de estos años, dándome su amor, su comprensión y su amistad en todo momento. A mis Hijos Amílcar Francisco y Angel Andrés, por el tiempo que les quité, con la esperanza de que comprendan que todo lo que he hecho, es por ellos y por su futuro. A mis hermanos, Francisco, Nora y Mauricio, con quienes siempre me voy a sentir en deuda, por todo el apoyo que he recibido de su parte. A mis amigos Jaime y David, por haberme dado la oportunidad de trabajar junto a ellos en este proyecto, y con quienes finalmente logramos consolidar el mejor equipo de trabajo al que he pertenecido. A mis familiares, Doña Olga, Bessy, Glenda, Alejandro, Caro, tía Zuleyma, Isis, mis sobrinos, mi familia en general, mis amigos y compañeros de trabajo, quienes siempre estuvieron presentes en los buenos y los malos momentos. Finalmente a mi jefe y mentor el Ing. Guillermo Gallegos, quien me brindó su apoyo incondicional para poder consolidar mi carrera mientras trabajaba. Angel Amílcar Figueroa Landaverde. 6
AGRADECIMIENTOS A Dios por darme fortaleza y voluntad para enfrentar y vencer la dificultad que representaba el desarrollo del trabajo de graduación presente. A mi esposa Rubenia Haydee por su valioso e incondicional apoyo, por comprender y entender los momentos en los cuales no pude estar junto a ella, quiero de manera especial compartir completamente este triunfo con ella. A mi hija Adriana Larissa por los momentos que fue imposible dedicarle y compartir juntos, pues mi hija es lo más importante en mi vida y lo que me motiva a seguir luchando en todos los ámbitos de la vida. A mis padres, Eugenio González y Lidia Tejada, por haberme dado la vida y una gran cantidad de consejos que sirvieron para formar mi carácter y entre otras cosas alcanzar el triunfo de ser un profesional al servicio de nuestra sociedad. A mi familia en general, hermanos y sobrinos que de alguna manera influyeron en el logro de este objetivo. A mis amigos, en especial a la administración de los laboratorios de telecomunicaciones de la UFG por la colaboración desinteresada que nos brindaron durante todo el desarrollo del trabajo de graduación, Carlos, Astul, Fernando, Elmer. A mis compañeros de tesis, Amilcar y David por su constante apoyo y compresión en alcanzar este reto para nuestras vidas y superar satisfactoriamente todos los obstáculos que se presentaron hasta lograr formar un excelente equipo de trabajo. En general a todas las personas familiares, amigos, compañeros de trabajo, etc. que de manera directa e indirectamente incidieron en el resultado final. Jaime Eulices González Tejada. 7
Tabla de contenido Página LISTA DE FIGURAS... 11 LISTA DE TABLAS... 12 LISTA DE CUADROS... 13 LISTA DE GRÁFICOS... 13 INTRODUCCIÓN... 15 OBJETIVOS... 16 ALCANCES DEL PROYECTO... 17 LIMITACIONES... 18 CAPITULO I MARCO TEÓRICO... 19 1.1 Telefonía Pública.... 20 Historia de la telefonía.... 20 1.2 Proceso de conversión análoga y digital.... 21 1.2.1 Digitalización de la señal de voz.... 23 1.3 Red de Telefonía Pública Conmutada (PSTN)... 24 1.3.1 Señalización en la PSTN.... 25 1.3.2 Planes de numeración en la PSTN.... 28 1.3.3 Desventajas de la PSTN.... 29 1.4 Redes de telefonía por conmutación de paquetes.... 30 1.4.1 Estándar de una infraestructura basada en paquetes.... 31 1.5 PBX.... 32 1.5.1 PBX IP.... 33 1.6 Tecnología de la voz sobre el protocolo de Internet... 35 1.6.1 Fundamentos de IP.... 35 1.6.2 Protocolo IP.... 41 1.6.2.2 Notación en el direccionamiento IPv4.... 42 1.6.2.3 Notación en el direccionamiento IPv6... 42 1.6.2.4 Clases de direcciones de IPv4... 43 8
1.6.3 Direccionamiento... 50 1.6.4 Enrutamiento... 52 1.6.5 Protocolos de control... 52 1.6.6 Protocolos de transporte.... 53 1.6.7 Introducción a la VoIP... 56 1.7 Calidad de Servicio (QoS)... 61 1.8 Calidad de la voz... 63 1.8.1 Introducción.... 63 1.8.2 Factores que influyen en la calidad de voz.... 64 1.8.3 Consideración del usuario sobre la calidad de la Voz.... 64 1.8.4 Protocolos utilizados en VoIP... 65 1.8.5 Software utilizado en telefonía IP... 89 1.8.6 Marco Regulatorio de la VoIP... 90 CAPÍTULO II ESTUDIO PRELIMINAR... 92 2.1 Objetivos.... 93 2.2 Antecedentes... 93 2.3 Planteamiento del problema.... 95 2.3.1 Definición del problema... 95 2.3.2 Formulación del problema.... 95 2.4 Importancia del proyecto.... 96 2.5 Justificación del proyecto.... 96 2.6 Investigación de campo.... 97 2.6.1 Condiciones iniciales.... 98 2.6.2 Objetivos de la investigación de campo.... 99 2.6.3 Metodología estadística a utilizar.... 100 2.6.4 Determinación del universo y la muestra.... 101 2.6.5 Análisis de encuestas... 104 2.6.6 Conclusiones... 115 CAPITULO III PROPUESTA DE DISEÑO... 116 9
3.1 Introducción.... 117 3.2 Etapa I. Infraestructura.... 118 3.2.1 Determinación de requerimientos.... 118 3.3 Propuesta del Software a utilizar por el sistema.... 119 3.3.1 Selección de herramientas.... 120 3.4 Esquema general de la red.... 124 3.4.1 Descripción de los elementos del Laboratorio.... 125 3.5 Etapa III. Integración de los componentes del Laboratorio VoIP... 126 3.5.1 Descripción del funcionamiento global del Laboratorio.... 126 3.5.2 Estructura de prácticas de laboratorio.... 128 3.5.3 Descripción de las partes de una guía de laboratorio práctico.... 130 CAPITULO IV IMPLEMENTACION DEL LABORATORIO VOIP... 131 4.1 Introducción.... 132 4.2 Softphones... 133 4.2.1 Instalación de X-lite... 133 4.2.2 Instalación de SJPhone... 140 4.3. Analizador de protocolos Wireshark.... 148 4.3.1 Instalacion de Wireshark.... 148 4.4 Instalación de Xming.... 151 4.5 Configuración del servidor de aplicaciones.... 155 BIBLIOGRAFIA... 157 ANEXOS... 158 LISTA DE FIGURAS Página. ILUSTRACIÓN 1. 1 CONMUTACIÓN MANUAL... 20 ILUSTRACIÓN 1. 2 FORMAS DE ONDA ANÁLOGA.... 22 ILUSTRACIÓN 1. 3 RUIDO EN UNA LÍNEA ANÁLOGA.... 22 ILUSTRACIÓN 1. 4 JERARQUÍA DEL CIRCUITO DE CONMUTACIÓN.... 24 10
ILUSTRACIÓN 1. 5 TECLADO DTMF... 26 ILUSTRACIÓN 1. 6 PBX IP INTEGRADA A SERVICIOS DE REDES DE DATOS Y PSTN.... 34 ILUSTRACIÓN 1. 7 MODELO OSI.... 35 ILUSTRACIÓN 1. 8 FORMATO DE DIRECCIONES MAC.... 51 ILUSTRACIÓN 1. 1 CONMUTACIÓN MANUAL... 20 ILUSTRACIÓN 1. 2 FORMAS DE ONDA ANÁLOGA.... 22 ILUSTRACIÓN 1. 3 RUIDO EN UNA LÍNEA ANÁLOGA.... 22 ILUSTRACIÓN 1. 4 JERARQUÍA DEL CIRCUITO DE CONMUTACIÓN.... 24 ILUSTRACIÓN 1. 5 TECLADO DTMF... 26 ILUSTRACIÓN 1. 6 PBX IP INTEGRADA A SERVICIOS DE REDES DE DATOS Y PSTN.... 34 ILUSTRACIÓN 1. 7 MODELO OSI.... 35 ILUSTRACIÓN 1. 8 FORMATO DE DIRECCIONES MAC.... 51 ILUSTRACIÓN 1. 9 ESTRUCTURA GENERAL DE UNA RED VOIP.... 59 ILUSTRACIÓN 1. 10 COMPONENTES DEL PROTOCOLO H.323.... 66 ILUSTRACIÓN 1. 11 ARQUITECTURA DE UN TERMINAL H.323... 67 ILUSTRACIÓN 1. 12 ELEMENTOS DE UN GATEWAY H.323... 70 ILUSTRACIÓN 1. 13 PILA DE PROTOCOLOS H.323... 72 ILUSTRACIÓN 1. 14 LLAMADA H.323... 75 ILUSTRACIÓN 1. 15 MENSAJES SIP PARA UNA LLAMADA.... 85 ILUSTRACIÓN 1. 16 ENTIDADES LÓGICAS DE UNA RED QUE UTILIZA MEGACO... 87 ILUSTRACIÓN 2. 1 MODELO DE LA CAJA NEGRA.... 96 ILUSTRACIÓN 3. 1 ALGORITMO PARA LA PROPUESTA DE DISEÑO DEL LABORATORIO VOIP. 117 ILUSTRACIÓN 3. 2 DISTRIBUCIÓN EN PLANTA DEL LABORATORIO VIRTUAL.... 118 ILUSTRACIÓN 3. 3 ESQUEMA GENERAL DEL LABORATORIO VOIP.... 124 ILUSTRACIÓN 3. 4 DESCRIPCIÓN ESQUEMÁTICA DE LA ESTACIÓN DEL ESTUDIANTE.... 125 ILUSTRACIÓN 3. 5 ALGORITMO PARA EL FUNCIONAMIENTO DEL LABORATORIO DE VOIP.... 126 ILUSTRACIÓN 3. 6 RELACIÓN ENTRE FACTORES PROCESO ENSEÑANZA-APRENDIZAJE.... 128 11
LISTA DE TABLAS Página. TABLA 1. 1 CLASIFICACIÓN DE DIRECCIONES IPV4.... 44 TABLA 1. 2 RANGOS DE DIRECCIONES RESERVADOS EN IPV4... 46 TABLA 1. 3 VALORES COMUNES DEL CAMPO PROTOCOLO EN IPV4.... 49 TABLA 1. 4 CODEC VOIP.... 60 TABLA 1. 5 COMPONENTES DE H.323.... 66 TABLA 1. 6 CLASES DE CÓDIGO DE ESTADO:... 83 TABLA 2. 1 DETALLE DE LA POBLACIÓN.... 101 TABLA 2. 2 POBLACIÓN DELIMITADA Y ESTRATIFICADA.... 102 TABLA 2. 3 MUESTRAS POR ESTRATO.... 103 TABLA 2. 4 OBSERVACIONES DE LOS ALUMNOS DE LABORATORIOS DE LA UFG.... 107 TABLA 3. 1 UTILITARIOS EVALUADOS PARA UTILIZARSE EN EL LABORATORIO DE VOIP.... 119 TABLA 3. 2 CRITERIOS DE SELECCIÓN PARA EVALUACIÓN DE HERRAMIENTAS.... 120 TABLA 3. 3 EVALUACIÓN DE PBX IP.... 121 TABLA 3. 4 EVALUACIÓN DE SOFTPHONES.... 122 TABLA 3. 5 EVALUACIÓN DE ANALIZADOR DE PROTOCOLOS.... 123 LISTA DE CUADROS Página. CUADRO 1. 1 CONMUTACIÓN DE CIRCUITOS VRS. CONMUTACIÓN DE PAQUETE..30 CUADRO 1. 2 DATAGRAMA DE IPV4.... 47 CUADRO 1. 3 FORMATO DE PAQUETE ICMP.... 53 CUADRO 1. 4 SEGMENTO TCP.... 54 CUADRO 1. 5 SEGMENTO UDP... 55 CUADRO 2. 1 SITUACIÓN ACTUAL Y DESEADA DEL LABORATORIO DE VOIP DE LA UFG.... 96 CUADRO 3. 2 ESTRUCTURA DE LAS GUÍAS DE LABORATORIO... 129 12
LISTA DE GRÁFICOS Página. GRÁFICA 2. 1 ELEMENTOS QUE CONFORMAN LOS LABORATORIOS UBICADOS EN EL EBLE. 104 GRÁFICA 2. 2 ESPECIALIDADES DE INGENIERÍA ACTUALMENTE EN LA UFG.... 105 GRÁFICA 2. 3 CONOCIMIENTO DE TECNOLOGÍA VOIP.... 106 GRÁFICA 2. 4 UTILIZACIÓN DE TECNOLOGÍA VOIP.... 106 GRÁFICA 2. 5 INCREMENTO AL ARANCEL POR USO DE LABORATORIOS... 108 GRÁFICA 2. 6PERSONAL DOCENTE CALIFICADO EN LA UFG.... 109 GRÁFICA 2. 7 EMPRESAS QUE OFRECEN ALGÚN TIPO DE SOLUCIÓN VOIP.... 111 GRÁFICA 2. 8 PROTOCOLOS VOIP UTILIZADOS EN EMPRESA PRIVADA.... 112 GRÁFICA 2. 9 PROYECTOS VOIP EN EMPRESA PRIVADA.... 112 GRÁFICA 2. 10 PLAZO DE IMPLEMENTACIÓN DE PROYECTOS VOIP... 113 GRÁFICA 2. 11 PROYECCIÓN DE CRECIMIENTO DE OPORTUNIDADES LABORALES EN VOIP. 114 GRÁFICA 2. 12 DEMANDA DE RECURSO HUMANO CAPACITADO EN VOIP.... 114 13
RESUMEN En sintonía con el avance de la tecnología para las telecomunicaciones y con el objetivo de hacer un aporte valioso a la comunidad universitaria, se realizó un estudio integral, cuyo resultado condujera a la implementación de herramientas útiles para el estudio de la Voz sobre el Protocolo de Internet (VoIP). El proceso se dio así: Se realizo un estudio de campo que involucró a todas las entidades que de alguna manera requieren el conocimiento en estas tecnologías, alumnos de la carrera ingeniería en telecomunicaciones, maestros de la facultad de ingeniería de la universidad Francisco Gavidia, maestros de ingeniera eléctrica y áreas afines de otras universidades del país y personal técnico de operadores de servicios de telecomunicaciones de El Salvador. Se creó la propuesta de solución para el laboratorio de manera integral, haciendo énfasis en que los recursos físicos utilizados para tal implementación ya están instalados y que por ende este punto no requiere una inversión extra por parte de la universidad, además todo el software utilizado es de uso libre (ASTERISK, Linux, putty, wireshark, etc.), por lo que también representa un ahorro significativo para la Universidad. Como producto final de este estudio, se obtiene un ambiente adecuado tanto para el estudio de protocolos de VoIP como para apreciar el funcionamiento básico de un sistema telefónico IP; Por otro lado también se elaboraron en una forma pedagógica y metodológica 10 guías de laboratorio, las cuales están diseñadas de tal manera que doten al estudiante de una manera lógica y ordenada, de todas las herramientas necesarias para el estudio y análisis de protocolos VoIP. El desarrollo de esta aplicación por su naturaleza se constituye en la semilla de futuras investigaciones y desarrollos para enriquecer y profundizar en el campo de la telefonía IP, por lo que es altamente recomendable para aquel estudiante interesado en conocer o ampliar sus conocimientos de analizadores de protocolos bajo ambientes Windows y Linux, y sobre todo de la aplicación Asterisk. 14
INTRODUCCIÓN El presente proyecto nace de la necesidad que posee la Universidad Francisco Gavidia, de implementar un laboratorio para el análisis de protocolos de la asignatura Voz Sobre el protocolo de Internet (VoIP), que es parte del nuevo plan de estudios propuesto por la Universidad para la carrera Ingeniería en Telecomunicaciones. El proyecto se presenta como un trabajo de graduación y su factibilidad ha sido previamente revisada y analizada en conjunto con la Dirección de Tecnología y Comunicaciones (DTC) y la Coordinación de la carrera Ingeniería en Telecomunicaciones de la Universidad Francisco Gavidia, partiendo de la necesidad existente y de los recursos con los que actualmente se cuenta. Se contempla implementar un laboratorio que provea las herramientas necesarias para el estudio de los protocolos, de un sistema telefónico que utilice VoIP. Dicho laboratorio estará constituido por una Central Telefónica Privada IP (PBX IP) y diez terminales telefónicas, instaladas en un centro de cómputo a cargo de la DTC, ubicado en el quinto nivel del Edificio de Bibliotecas y Librerías Especializadas (EBLE). La PBX IP y el software necesario para las diez estaciones de trabajo, serán implementados utilizando aplicaciones GPL (General Public License), es decir software libre. Además se diseñarán y redactarán las guías de trabajo para los estudiantes y el manual del Catedrático o Instructor del laboratorio, que cumplan con criterios didácticos y metodológicos apropiados, de tal manera que se cumpla con el objetivo de capacitar a los alumnos en los fundamentos teóricos y prácticos de ésta tecnología, que representa en la actualidad una oportunidad muy grande de desarrollo profesional. 15
OBJETIVOS Objetivo General: Diseñar e Implementar un laboratorio para la asignatura Voz Sobre el Protocolo de Internet de la carrera Ingeniería en Telecomunicaciones. Objetivos Específicos: Crear un ambiente de trabajo que simule el comportamiento de un sistema de telefonía IP, que permita la obtención de trazas de los protocolos tales como SIP (session Initiation Protocol) y H.323 (estándares para la compresión y descompresión de audio y video). Proveer al estudiante la oportunidad de realizar sesiones de trabajo que le permitan experimentar la configuración básica de una PBX IP basada en software GPL llamado ASTERISK. Proporcionar a los estudiantes herramientas que faciliten el aprendizaje y comprensión de los protocolos de la tecnología VoIP. Elaborar un manual de guías de laboratorio para los estudiantes. 16
ALCANCES DEL PROYECTO El laboratorio contará con una red de estaciones de trabajo basadas en Windows, en las que se instalará software de análisis de protocolos (Wireshark) y aplicaciones que se utilizan para realizar llamadas de audio y/o video a través de una red IP, como ejemplo X-lite. La red contará con un servidor Linux, en el cual se instalará el software que hará que se comporte como una PBX IP, configurado de tal forma que permita realizar llamadas de un punto a otro de la red. La información con el procedimiento y las guías de las prácticas serán accesibles a través del sitio web de la Universidad Francisco Gavidia, específicamente a través de la U-Virtual. También se elaborará el manual del catedrático o instructor, y diez guías de trabajo para los estudiantes. La selección de los temas será basada en el contenido programático de la asignatura y estará sujeta a criterios metodológicos y didácticos, de tal forma que permitan la asimilación de los conceptos teóricos recreados en dicho laboratorio. Finalmente el proyecto contempla un proceso de capacitación para los encargados del laboratorio y del personal Docente que la Universidad requiera. 17
LIMITACIONES Existen aplicaciones que no serán implementadas debido a limitaciones financieras (Inversión en equipo especializado, software, etc.). Algunas de estas aplicaciones son: conexión con la PSTN (Análisis de Señalización N 7), análisis de protocolos MGCP (Media Gateway Control Protocol), MEGACO (Media Gateway Control), H.248, etc. El grupo de trabajo no será responsable de la actualización y mantenimiento del sistema instalado, sino que la universidad deberá establecer un plan para ello. El análisis de los protocolos se restringe a una red que utiliza el protocolo de Internet versión 4 (IPv4). El objeto de estudio de este laboratorio son esencialmente, el análisis de protocolos SIP y H.323 y la configuración de la PBX IP (ASTERISK). 18