Serviços mais Comuns de Implementação VoIP
Actualmente, a rede pública de telefones usa as redes de comutação de circuitos para
transmissão de sinais analógicos. Em contraste, a rede VoIP envia a voz digitalizada sobre
rede baseada em comutação de pacotes. Como haveremos de ver, as redes VoIP podem
oferecer serviços de voz a preços muito mais competitivos.
O modo de comutação de circuito é uma técnica utilizada para a transferência de informação
utilizando redes analógicas ou digitais. Um circuito é suportado directamente sobre um canal
físico de comunicação dedicado, onde são usados técnicas de multiplexagem para a sua
transmissão. O modo circuito é especialmente adequado para serviços de débito constante
sendo necessário um prévio estabelecimento da conexão.
O modo pacote é aplicado a apenas comunicações digitais. O canal de comunicação assenta
num fluxo de pacotes, suportando serviços de débito variável. Cada pacote é identificado por
um cabeçalho. O cumprimento dos pacotes e a sua frequência pode variar. Caso não exista
nada para transmitir o canal não é utilizado.
A grande diferença destes modos é que enquanto no modo circuito o débito do canal é o débito
máximo requerido pela fonte para não haver perda de informação, grande parte do tempo o
canal está sub-utilizado. No modo pacote é apenas utilizado em cada momento o débito
requerido pela fonte, deixando o excedente disponível para outros canais.
Circuitos Dedicados
A rede pública oferece serviços de voz com custos muito elevados. Para evitar esses custos,
as organizações recorrem a redes de dados para transmissão de voz entre as suas
localizações. Normalmente, são usadas as redes privadas para efectuar chamadas, esta
redes tem um circuito adicional dedicado para comunicações de voz, existindo em cada ponto
um gateway que faz a interligação com as centrais telefónicas convencionais. Evitando desta
forma os elevados custo da rede pública de comunicações.
Os pacotes de voz VoIP podem ser transmitidos sobre vários links, usando vários tipos de
tecnologias como por exemplo: Frame Relay, ATM, circuitos ponto a ponto ou mesmo mais
recentemente IP MPLS. Em Portugal é frequente as empresas contratarem níveis de serviço,
largura de banda para interligarem as suas diferentes localizações.
VoFR
Voice over Frame Relay (VoFR) é a utilização da rede Frame Relay (o nome poderia ser
traduzido para comutação de tramas) para transportar pacotes IP, que contêm pacotes de voz
digitalizada. Equipamentos com funcionalidades para processamento de voz, telefones IP,
switches ou routers, digitalizam a voz transformando-a em pacotes IP. Os pacotes IP são
transmitidos ao seu destino pela rede Frame Relay.
O VoFR permite a compressão e transmissão de Voz através de circuitos virtuais permanentes
(PVC – Permanent Virtual Circuit).
Se analisarmos o seguinte cenário, uma ligação entre Lisboa e Porto num circuito com um CIR
(Committed Information Rate) de 768Kbps.
Em cada localização, temos uma rede de dados e uma central telefónica PPCA com um
interface digital que liga a uma linha E1. Neste exemplo, podemos utilizar os gateways da
Cisco da serie 2600 ou 3600 para interligar as duas localizações. Estes equipamentos
suportam VoFR podendo interoperar entre si. Esta série de equipamentos está equipada com
interfaces que ligam directamente à interface digital E1 das centrais PPCA. Estes gateways
podem ligar-se directamente ao circuito Frame relay, através de unidade de serviço digital
(DSU – Digital Service Unit) ligada à interface série. Com este exemplo de rede, podemos
efectuar chamadas de um local para outro. Temos as centrais telefónicas a processar o
encaminhamento de chamadas, em quanto os routers comprimem e transferem as chamadas.
Com o algoritmo de G.729a, podemos reduzir as chamadas de vos até ao 8kbps. Com os
cabeçalhos podem chegar ao 10.8Kbps. Apesar do tamanho não ocupar muita largura de
banda, pode aumentar à medida que o número de chamadas activas aumenta. Com um
circuito de 768Kbps e com codificação G.729a (o algoritmo G.729a comprime a voz até aos
8Kbps e com a sobrecarga do cabeçalho (overhead), conseguimos 10.8Kbps), podemos
teoricamente ter 70 chamadas concorrentes. Nestes equipamentos temos um problema,
apenas conseguem descodificar 24 chamadas de cada vez. Isto porque, cada chamada
comprimida ocupa metade do DSP (processador de sinal digital). O que significa, que ao
interligar o routers com uma central telefónica PPCA ficamos limitados a 24 canais. O número
realista de chamadas suportado será 24.
Na maioria destas instalações os dados circulam no mesmo circuito que a voz. Se o número
máximo de chamadas é atingido, são utilizados 24 vezes 10.8, aproximadamente 260Kbps. No
exemplo de rede apresentado, temos um CIR (Committed Information Rate, especifica a
quantidade de informação, por unidade de tempo, que pode circular numa interface) de
768Kbps.
No Frame Relay, quando é ultrapassado o CIR, a voz e dados podem misturar-se e alguns
pacotes podem ser descartados. Imagine o que acontece quando no meio de uma conversação
alguns pacotes são descartados. Provavelmente, na perceberá a conversa. A implementação
de qualidade de serviço é fundamental para a implementação de voz sobre Frame Relay.
VoATM
A Tecnologia ATM (do inglês, Asynchronous Transfer Mode) é usada para transportar pacotes
de voz digitalizada. Em vez de transportar segmentos de tamanho variável, uma rede ATM
transporta pequenos segmentos de tamanho fixo chamadas células. Cada célula tem 53 bytes
de comprimento, sendo 5 bytes para o cabeçalho e 48 para a informação. Na rede ATM, os
pacotes VoIP são segmentados e colocados dentro destas células. O tamanho fixo destas
células ATM oferece inúmeras vantagens. O seu pequeno tamanho significa que a latência e o
atraso de cada vez que a célula passa pelo ATM é muito pequeno. Em contraste, o atraso do
guardar e enviar (store-and-forward) dos pacotes IP através dos routers é mais longo, porque o
ultimo bit do pacote tem que ser recebido antes de ser transmitido. Os comutadores ATM são
extremamente rápidos, a qualidade de serviço oferecido pode ser muito alta. A rede ATM
oferece várias classes de serviços (CoS), opções sobre taxa de transferência constante (CBR -
Constante Bit Rate), especialmente desenvolvida para o transporte de voz e outros protocolos
de tempo real. A CBR fornece boa qualidade de serviço minimizando as variações de tempo
nas transmissões de células de voz, fenómeno conhecido como jitter.
O ATM tem como principal potencialidade o suporte de múltiplos níveis de QoS. Enquanto no
IP, é necessário um trabalho mais complexo para implementar o mesmo nível de QoS. O ATM
tem esta funcionalidade desde início. Um dos problemas do ATM é não se encontrar
disponíveis em todos os locais.
Embora o ATM tivesse tido grande sucesso de mercado em backbones WAN, continua com
grande dificuldade em se mover para além desse espaço. Com o aumento da popularidade do
gigabit-ethernet, o ATM terá uma maior dificuldade em se manter nas redes WAN empresariais.
As capacidades inerentes de QoS permitem ao ATM um alto desempenho em soluções de
grande intensidade de tráfego e aplicações sensíveis ao tempo, como voz e o vídeo. O ATM
terá sempre vantagem sobre a Ethernet e o Fast Ethernet no que se refere à velocidade.
O lugar óbvio para usar VoATM é onde já existam redes ATM instaladas. Se tiver sorte
suficiente para ter o ATM no seu bastidor (Armário Técnico), a VoATM torna-se um meio
excelente para transmissão de voz. Este meio de comunicação pode ser estendido a sítios
remotos. Só assim garantimos que a VoATM chega a todos os locais na rede, caso contrário
poderá não ser possível a transmissão da voz a todos os sítios remotos.
As ligações na rede ATM são extremo-a-extermo, as chamadas podem ter origem no Porto,
passar por Coimbra e terminar em Lisboa sem ter que codificar e descodificar a chamada
múltiplas vezes. Devido à capacidade do ATM em implementar QoS, as chamadas de voz são
colocadas nas suas próprias filas de QoS. Isto significa que as chamadas podem ser enviadas
para o seu destino sem qualquer degradação na qualidade de serviço, sendo assegurado o seu
tempo de chegada.
As várias classes de serviço são abordadas detalhadamente nos capítulos seguintes. De uma
forma simplista, os dados e a voz são colocados em filas que são tratadas de forma diferente
ao longo da rede ATM.
Quando as medidas de QoS do ATM são usadas, a informação é classificada e transportada
pelas células. Uma célula no ATM é o equivalente a um datagrama. Sempre que uma chamada
de voz é transportada pela rede ATM, é classificada como prioritária. Mais a frente veremos
como esta classificação é efectuada. Isto também se verifica para transmissões de vídeo, em
que as necessidades são idênticas ás da voz. A única diferença é que as aplicações de vídeo
são muito mais exigentes no que respeita a largura de banda.
O ATM é um método completamente diferente na forma como controla o fluxo de dados. Uma
das diferenças principais entre o ATM e as redes baseadas em datagramas é que o ATM parte
os dados em células.
Numa rede como a ethernet o tamanho do datagrama pode variar. Esta variação “obriga” os
comutadores a aguardar pela totalidade da frame (efeito conhecido como Store and forward),
sendo transmitida para o endereço destino assim que recebida. Devido ao tamanho fixo das
células ATM, este problema não se coloca. Não é necessário nenhum identificador para
delimitar a frame, permitindo aos comutadores transmitir as células pela rede muito mais
rapidamente. O tamanho fixo levanta-nos um problema, é que existe um grande desperdício de
espaço nas células sempre que os dados não preencham a sua totalidade. Usando o norma
G.729 a voz é segmentada em frames de 30 bytes, resultando em 23 bytes de overhead.
O ATM suporta o serviço CBR para beneficiar as aplicações de tempo real, com por exemplo a
voz.
O serviço CBR implementa uma taxa de transferência específica para a transmissão de
pacotes de voz. Esta especificidade minimiza as variações temporais na transmissão dos
pacotes de voz, melhorando desta forma a qualidade do serviço para o utilizador final.
Como já referi, a principal vantagem da utilização do ATM está nas políticas de QoS que este
tipo de serviços disponibiliza. A capacidade de classificar uma chamada de voz
extremo-a-extremo é também uma vantagem.
Dependo do orçamento disponível, este tipo de solução é ideal para a implementação em
redes de faculdades, hospitais, campus, figura 2.4. Este cenário permite-nos grandes larguras
de banda e tem a capacidade de oferecer um bom nível de qualidade de serviço para tráfego
de dados e voz.
Um dos problemas que se põe é que nem todas as localidades tem acesso ao ATM. A maioria
das vezes, não é possível interligar todas as localizações de uma empresa por circuito ATM.
Por isso, o Frame-Relay é também uma opção. Podemos ter uma algumas localizações ligadas
em circuito ATM e outras em circuito Frame-Relay, figura 2.5. Existe alguma similaridade entre
estas redes. Provavelmente, no futuro todas as localizações terão acesso a circuitos ATM.
Ligações Ponto-a-Ponto
São usadas ligações ponto a ponto para interligar as diferentes localizações de uma
organização. A organização tem a capacidade de implementar e administrar a sua rede
privada. Os protocolos mais comuns ao nível da camada de ligação são High-Level Data Link
Control (HDLC) e Point-to-Point Protocol (PPP).
Nas implementações em que necessitamos de usar ligações ponto-a-ponto através de linhas
dedicadas, temos duas alternativas:
A primeira opção é usar voz sobre o protocolo HDLC. O HDLC é um protocolo de nível dois,
que usa tipicamente ligações ponto-a-ponto do tipo E1. O VoHDLC é similar ao VoFR. Usando
compressão, permite-nos estabelecer múltiplas chamadas sobre um circuito E1. Este tipo de
solução é pouco escalável ou seja, foi concebida apenas para ligar ponto-a-ponto os
equipamentos da Cisco.
A segunda opção é usar VoIP, pois o uso da VoHDLC e VoFR obriga a codificar e descodificar
uma chamada de voz múltiplas vezes. Como o protocolo IP podemos estabelecer uma
chamada de voz para qualquer rede destino. Obviamente, neste caso, teremos que considerar
a implementação de Qualidade de Serviço.
O MPLS Standard para a Implementação de VPN IP
Esta solução assenta na tecnologia IP, principalmente num conceito de VPN (Virtual Private
Network) designado por MPLS (Multi Protocol Label Switching). Esta VPN é assegurada pelo
recurso a tecnologias de switching, segurança e privacidade mais avançadas da actualidade.
Este serviço tem desempenho e performance, manifestando-se num serviço muito mais rápido
– a informação é encaminhada directamente para o endereço de destino, sem ter de passar
por outros sítios de trânsito (como acontece nas tecnologias orientadas à conexão).
A característica de “Full Mesh” inerente às VPN IP MPLS é especialmente importante para a
voz e para todas as aplicações que venham a ser implementadas numa arquitectura
distribuída. Em termos topológicos a rede MPLS é mais optimizada do que uma rede de circuitos, por
exemplo, a comunicação entre qualquer um dos locais é feita de forma directa sem
necessidade de trânsito num outro ponto da rede o que introduzirá necessariamente um
determinado nível de contenção e atraso.
Se esta simplificação é relevante a nível dos equipamentos, também o é no dimensionamento
das larguras de banda pois deixam de se concentrar largura de bandas provenientes de outros
locais e passam apenas a necessitar da largura de banda para si próprios.
Em termos de protecção, em caso de falha de qualquer circuito de uma das localizações,
podem ser também utilizados “backup” nos circuitos de acesso dos locais remotos com base
em acessos RDIS.
Apesar de outras tecnologias já existirem há vários anos com provas demonstradas quanto ao
isolamento de dados e fiabilidade, as VPNs MPLS como tecnologia recente, beneficiam das
seguintes vantagens:
• disponibilização de um isolamento de tráfego semelhante ao obtido nas soluções
baseadas no estabelecimento de circuitos lógicos ATM ou Frame Relay: o tráfego IP
com determinado destino e associado a uma determinada VPN é identificado por
etiquetas (labels) transportadas nas tramas de nível 2;
• Capacidade de comutação mais rápida nos nós de rede: a utilização de etiquetas
anexadas ao cabeçalho dos pacotes IP permite que o tráfego IP seja encaminhado
para o seu destino em cada nó de rede (Router ou Comutador MPLS) sem que seja
necessário o processamento de informação de nível 3;
• redução do atraso de transmissão extremo-a-extremo: a redução do tempo de
processamento em cada nó permite que o atraso acumulado entre os pontos origem e
destino seja fortemente diminuído. O número total de saltos (hops) é, eficazmente,
reduzido ao mínimo;
• facilidade de ligação e configuração: cada router de Acesso é um possível ponto de
entrada na VPN. A integração de um novo local ou a alteração das características de
um já existente, apenas exige uma configuração local no POP (Point of Presence) onde
é terminada a ligação de acesso e no novo local correspondente;
• melhor utilização dos recursos de rede: a ausência de ligações lógicas dedicadas,
caso do Frame Relay, permite aumentar a taxa de utilização dos recursos por partilha
com outros serviços;
• independência do esquema de endereçamento usado na rede de transporte: as
gamas de endereços usadas nas redes de um cliente poderão ser definidas ao seu
critério, não havendo perigo de colisão de endereçamento entre a VPN MPLS e o resto
da rede IP;
• em termos topológicos a rede MPLS é mais optimizada que qualquer outra tecnologia, por exemplo, a comunicação entre dois locais remotos é feita de forma directa sem
necessidade de trânsitos que introduzirão necessariamente um determinado nível de
contenção e atraso.
Assim sendo, os serviços a implementar na VPN MPLS poderão beneficiar destas vantagens,
nomeadamente no que respeita a:
• redução do atraso de comutação e de transmissão, bastante importante na qualidade de serviço do transporte de voz sobre IP (VoIP).
• aumento da fiabilidade da solução global, mantendo a conectividade entre os vários locais no caso de falha do ponto central.
• melhoria de performance de serviços que necessitem de conectividade directa entre qualquer um dos locais, tais como intranet, e-mail, Internet, aplicações internas, entre
outros.
• possibilidade de detecção automática de quebra de comunicações e activação
imediata do backup RDIS. Esta activação é feita com base na falta de conectividade
entre o router dos locais remotos e o ponto central da rede, e não exclusivamente na
falha do circuito físico de acesso. Este processo é realizado de uma forma
completamente transparente do ponto de vista do utilizador.
