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A transmissão de voz em tempo real via IP, conhecida como “Voice over IP” (VoIP), vem atraindo muita atenção da parte de todas as empresas interessadas em investir em novas tecnologias para Internet. A "Given International Corporation" prevê que o mercado de telefonia na rede irá crescer vertiginosamente nos próximos anos. Enquanto que a empresa inglesa "Tarifica" estima uma perda da ordem de bilhões de dólares em ligações internacionais pela AT&T em favor da telefonia na rede.
A razão para tamanha atração e conseqüentes previsões otimistas em torno do fenômeno VoIP vem da constante procura de melhorias e redução do custo das comunicações por voz feitas para longas distâncias. Quanto mais a telefonia via IP abre a estrada para o novo e melhora os sistemas de transmissões, como por exemplo, as vídeo- conferências, ela possibilita uma revolução na interação e operabilidade em todos os níveis.
O crescimento e a forte implantação das redes IP, tanto locais como externas, o desenvolvimento de técnicas avançadas de digitalização de voz, mecanismos controle e priorização do tráfego, protocolos de transmissão em tempo real, assim como o estudo de padrões novos que permitem a qualidade no serviço nas redes IP, criaram uma atmosfera onde é possível transmitir a telefonia via IP.
Se a todo esse precedente, é adicionado o fenômeno da Internet, que tem um grande potencial econômico, a conclusão fica clara: O VoIP (Voz sobre IP) é um tema quente e estratégico para todas as companhias.
A telefonia sobre IP abre um espaço muito importante dentro do universo que é Internet. É a possibilidade de nos comunicarmos a custos mais baixos dentro e fora das companhias, é a porta de entrada de serviços novos até hoje, apenas imaginados e é a forma de combinar uma página de Internet com, por exemplo, a atenção ao vivo e direta de um call- center, entre muitos outros benefícios. Lentamente, a telefonia sobre IP está fazendo um exame do terreno... e todos querem tê-lo.
2. Capítulo II – Um pouco de história
2.1 - O Passado
2.2 – O Ontem
2.3 - O Hoje
2.4 - O Amanhã
2.1 - O Passado
A mais de trinta anos atrás a Internet não existia. Comunicações interativas eram feitas apenas através da linha telefônica, que é uma rede de comutação de circuitos. Com isto, pode-se dizer que uma chamada de telefone reserva um "circuito físico" entra a origem e o destino da chamada, durante a duração da chamada telefônica. Com isso, a transmissão de dados era cara (para longas distâncias) e não era pensado em interações de vídeo.
2.2 – O Ontem
A alguns anos se percebeu o aparecimento de algumas coisas interessantes: PCs para as grandes massas, novas tecnologias para comunicação (como telefones celulares) e a grande rede: Internet; as pessoas começaram a se comunicar por meio de novos serviços, como e-mail, chats, etc. e os negócios oferecidos via Internet têm possibilitado às pessoas a comprarem com apenas um click.
2.3 - O Hoje
Hoje podemos ver uma verdadeira revolução no mundo das comunicações: todos usam PCs e Internet par fins de trabalho ou em seu tempo livre para se comunicar , trocar dados (imagens, sons, documentos) e, às vezes, para falar uns com os outros usando aplicativos como o “Netmeeting” ou “Internet phone”. Com isso, começa a se difundir a idéia de, no futuro, podermos nos comunicar em tempo real usando esta mesma rede. Este seria o VoIP.
2.4 - O Amanhã
Nós não podemos saber o futuro, mas podemos imaginá-lo com vários computadores, Internet em quase todos os lugares em alta velocidade e pessoas falando (áudio e vídeo) em tempo real. Nós precisamos saber apenas quais serão os meios que possibilitarão esta realidade. Uma das promessas para que isso se concretize é o VoIP.
3. Capítulo III – Como funciona o VoIP
Há muitos anos que se sabe que mandar um sinal para remotas distâncias pode ser feito também por meio digital. Antes de mandar, é preciso que se digitalize através de um conversor analógico digital, aí então enviá-lo, e então, no destino seja feita a conversão de digital para analógico com a ajuda de outro conversor para que seja possível seu uso. O VoIP trabalha desta maneira, digitalizando a voz em pacotes de dados, mandando-os e então convertendo-os novamente em voz no destino.
O conceito original é relativamente simples: trata-se de transformar a voz em pacotes de informação manejáveis por uma rede IP.
Graças a outros protocolos de comunicação, é possível reservar determinada largura de faixa dentro da rede para que a qualidade da comunicação seja garantida.
O formato digital pode ser mais bem controlado: pode ser comprimido, roteado, convertido a um formato melhor e etc.; também é possível notar que o sinal digital é mais tolerante a ruídos que o analógico.
A principal vantagem do uso do VoIP é o não pagamento das taxas de ligações para longas distâncias, já que o usuário estará conectado a sua rede local PSTN, e esta a uma rede IP, portanto, a ligação estará sendo taxada como local, fazendo com que a economia seja grande.
O grande problema enfrentado pelos usuários e fabricantes de equipamentos para gerenciar a voz por redes IP é por ser, este tipo de comunicação, extremamente sensível a atraso, pois, se houver um atraso significativo na transmissão, devido a filas nos roteadores, por exemplo, a interatividade, essencial nesta operação, acaba, e com ela toda a vantagem de custo em relação a ligações feitas por comutação de circuitos acaba não sendo mais tão atraentes assim.
4. Capítulo IV – Aplicações do VoIP
Neste capítulo serão abordadas algumas das presentes aplicações do VoIP, como por exemplo as comunicações de telefone para telefone, de pc para telefone e de telefone para pc, além de mostrar uma análise comparativa entre os gateways de VoIP.
Os gateways de VoIP são para as comunicações de telefone para telefone, telefone para PC ou PC para telefone. Eles fazem a transição entre a Internet e a PSTN. Estes gateways, por possuírem placas de processamento de voz, eles permitem a comunicação via telefones comuns.
Tais gateways para telefonia IP aumentaram a economia e beneficiaram as características de VoIP a qualquer um que tem um telefone conectado à rede normal de telefonia à comutação de circuito (PSTN). O conceito é simples: os gateways manipulam as transmissões vocais (mas também do fax) da rede PSTN e as converte para a rede à comutação de pacotes (e vice-versa).
Na figura, o início de uma sessão é descrito como funciona em comunicações telefone para telefone. Nós supomos que o cliente A quer se comunicar com o cliente remoto B que, como é muito distante pertence a um outro PSTN geralmente. "A" conecta- se ao gateway de VoIP interno e este a sua própria rede local PSTN. Para que sejam operados, de fato, os gateways são vistos pela PSTN como um número de telefone simples.
gateway exige a ligação com o número do telefone que o cliente A quer se comunicar (o mesmo que aconteceria se a ligação fosse feita de um telefone normal). Ao ser recebido tal número, o gateway consultará várias tabelas a fim de localizar um outro gateway local de VoIP ao cliente de B. Isto de acordo com o gateway, tentará pelo telefone estabelecer o início de uma sessão que chama B ao interior de sua PSTN. Assim que o início de uma sessão for estabelecido, a voz viaja no meio A para o B, saindo de uma PSTN, entrando na Internet e sucedendo de algum jeito a fim chegar à outra PSTN.
Já que as comunicações de telefone para telefone demandam dois gateways do mesmo tipo situados bem distantes um do outro, os gateways de VoIP levam vantagem, por exemplo, nas comunicações entre escritórios de uma mesma companhia que possua filiais remotas.
A comunicação, no entanto continua amarrada à presença, ou ainda menos, ao interior de duas redes PSTN, aos gateways de VoIP. Se tais gateways não estiverem eficazmente presentes ao interior da PSTN local, todas as vantagens de custo que seriam proporcionadas, ficam reduzidas. Muitos grupos empresariais, como o Free World Dialup e o Delta three, entretanto estão usando-os a fim reunir e para cooperar entre eles todas as vantagens que oferecem o serviço de telefonia por IP através de gateways. Desta maneira, a probabilidade de encontrar um gateways de VoIP no interior da PSTN remota a que seria comunicar, aumenta consideravelmente.
O uso de gateways de VoIP para telefonia do PC para telefone também está tornando-se mais e mais popular. Na figura esta possível configuração funcionaria da seguinte maneira: O cliente com o software de telefonia chega ao gateway de VoIP e daí para a rede PSTN local.
Muitas organizações que controlam centros da chamada (call centers), permitem o acesso da rede a tais centros através, exatamente, do uso de gateways de VoIP. Qualquer um tque tenha um software de telefonia pode conseqüentemente aproveitar todas as ofertas de serviços do centro da chamada.
5. Capítulo V – Qualidade de Serviço
O problema fundamental da troca de voz por uma rede como a Internet, é que o gerenciamento dos pacotes de protocolo IP envolve restaurar, ao final do caminho, a ordem em que foram enviados. Se erros como várias transmissões simultâneas, ou atrasos ocorrerem, este processo de reorganização dos pacotes pode se tornar bem lento. Para aplicações clássicas, como, por exemplo, e-mail, este atraso não significa um problema, mas para aplicações telefônicas, onde a interação em tempo real entre os usuários é fundamental, isto pode provocar uma significativa degradação na qualidade da conversação. De uma maneira generalizada, como seria garantida a qualidade de serviço para os usuários de VoIP?
Isso vai depender em parte da velocidade de acesso à Internet nos dois lados da comunicação, além do tráfego total na rede. Existem duas características principais que determinam a qualidade de um telefone ligado à Internet: A primeira característica é o tempo de latência. Tal grandeza mede o tamanho do atraso desde o momento em que as palavras são pronunciadas de um lado até o momento que estas são eficazmente ouvidas do outro.
A outra característica importante que determina a qualidade de um início de uma transmissão do telefone via Internet, é, simplesmente, o grau de correspondência da voz transmitida com a voz natural de quem fala. Se os pacotes vocais se perderem ou atrasarem além de um limite pré-definido, o software de telefonia IP tenta repor os dados que faltam através dos índices dos pacotes adjacentes. Naturalmente, quanto mais o software recorre a esta técnica de interpolação, mais a qualidade será comprometida (distorção da mensagem vocal). TCP/IP, a princípio, não garante aos clientes a transmissão de um número certo dos dados em um período de tempo preciso. Os desempenhos da rede podem flutuar de momento em momento. Às vezes os dados são transmitidos imediatamente, em outras atrasam duram demais ou apenas não chegam completos. Em muitos aspectos, os problemas que os planejadores têm são similares àqueles que foram encontrados no planejamento das redes celulares digitais, onde não há garantias de que os dados cheguem intactos. Conseqüentemente os planejadores devem supor que os níveis abaixo do esperado não são confiáveis, e compensar esses erros eventuais com técnicas de interpolação e correção. Conseqüentemente se torna uma tarefa árdua predizer a qualidade de serviço que pode ser esperada pelos usuários de uma transmissão de telefonia pela rede, mas, geralmente, esta qualidade está correlacionada diretamente à largura de banda disponível para a conversação e para o trafego da rede. Quase que a totalidade das companhias atuais fizeram suas redes com grande largura de banda. Essas conexões de banda-larga são capazes de garantir qualidade suficiente para que seja oferecido o VoIP para longas distâncias.
Apesar de tudo, a qualidade no campo da telefonia via IP vem apresentando melhorias notáveis. O protocolo RSVP da Cisco, por exemplo, já foi planejado a fim reservar uma parcela certa da banda apenas para as aplicações que demandem respostas em tempo real, que é o caso do VoIP. Cada roteador que suporta tal protocolo tem a habilidade de reconhecer perfeitamente a prioridade nos pacotes que estão enfileirados, distinguindo entre aqueles urgentes (pacotes real-Time) e aqueles menos, agindo conseqüentemente. Ao mesmo tempo, muitos estudantes de Internet, sustentam que a proliferação de grandes quantidades de banda a baixo custo renderá o desenvolvimento do RSVP e, posteriormente, a qualidade de todos os serviços prestados via Internet.
6. Capítulo VI – Algoritmos de Compressão
Os mecanismos de compressão de voz visam a otimização da utilização da largura de banda para a sua transmissão. Os algoritmos de compressão de voz são padronizados pelo ITU-T (International Telecommunications Union – Telecommunications Standardization Sector), através das recomendações da série G.7xx. Estes mecanismos executados pelos Codec (Codificadores/Decodificadores), que nada mais são do que circuitos integrados especializados (DSP – Digital Signal Processor) e dedicados para o processamento dos sinais de voz com sua conversão analógica para digital.
Cada um dos diversos algoritmos de compressão possui características de desempenho intrínsecas, tais como: qualidade subjetiva da voz (MOS - Mean Opinion Score), atraso de processamento dos sinais de voz (atraso de compressão da voz) e taxa de produção das amostras digitais de voz.
Os métodos de compressão de voz mais empregados são:
· PCM: Pulse Code Modulation.
· ADPCM: Adaptative Differential Pulse Code Modulation.
· LD-CELP: Low-Delay Code Excited Linear Prediction
· CS-ACELP: Conjugate-Structure Algebraic-Code-Excited Linear-Prediction
· MP-MLQ: Multi-Pulse, Multi-Level Quantization
· ACELP: Algebraic Code Excited Linear Prediction
A Tabela abaixo (retirada do site http://www.multirede.com.br/ ) ilustra algumas das características dos diversos Codec suportados pelos roteadores Multiserviço da Cisco (equipados com DSP C549 e versão do IOS 12.05T em diante).
Recomendação ITU Método de Compressão Saída do Codec (kbps) MOS Atraso de compressão (ms)
G.711 PCM 64 4.1 0.75
G.728 LD-CELP 16 3.61 3 a 5
G.729 CS-CELP 10 3.92 10
G.729a CS-CELP 10 3.7 10
G723.1 MP-MLQ 6.3 3.9 30
G.723.1 ACELP 5.3 3.65 30
G.726 ADPCM 32 3.85 1
Estes últimos protocolos são os mais importantes, pois eles garantem uma banda mínima muito pequena usando o código fonte; também os codecs G.723.1 têm um MOS muito elevado (Mean Opinion Score, usada medir a fidelidade).
7. Capítulo VII – Protocolo de Sinalização H323
7.1 - Porque H.323 é importante
7.2 - Benefícios-chave do H.323
Neste capítulo será feito um resumo do que é o padrão H.323. Este resumo fornece uma visão geral do padrão H.323, de seus benefícios, de arquitetura, e de aplicações.
O padrão H.323 fornece uma fundação para transmissões de dados, áudio e vídeo através de redes IP, incluindo a Internet. Ao seguir as regras do H.323, os produtos e as aplicações de multimídia dos múltiplos fabricantes podem operar entre si, permitindo que os usuários comuniquem-se sem se preocupar com a compatibilidade. H.323 é a chave para produtos baseados em LANs para aplicações de consumidores, negócios, entretenimentos, profissionais.
O H.323 é uma recomendação da União Internacional de Telecomunicações (ITU), que seta padrões para comunicações multimídia em redes locais (LANs) que não proporcionam uma qualidade garantida do serviço (QoS). Estas redes dominam hoje os escritórios de empresas. Conseqüentemente, os padrões H.323 são peças importantes para uma nova escala aplicações colaborativas, baseadas em LANs para comunicações multimídia.
Este padrão é abrangente nesse escopo e inclui dispositivos autônomos e a tecnologia embarcada em computadores pessoais, assim como em conferências multiponto e ponto a ponto. O H.323 também endereça controle de chamadas, gerência de multimídia, e gerência de largura de banda, assim como a interface entre LANs e outras redes.
O H.323 é parte de uma série maior de padrões de comunicações que permitem videoconferências através de uma gama de redes. Conhecido como H.32X, esta série inclui o H.320 e o H.324, que se dirigem a comunicações de ISDN (integrated services digital network) e de PSTN (Public Switched Telephone Network), respectivamente.
7.1 - Porque H.323 é importante
A recomendação H.323 é detalhada, contudo flexível, e pode ser aplicada aos aparelhos exclusivamente de voz e às estações completas para videoconferência, entre outras. As aplicações H.323 são ajustadas para crescer no mercado por diversas razões.
O H.323 ajusta padrões para as infra-estruturas de multimídia existentes (isto é redes IP). Projetado para compensar o efeito da latência altamente variável das LANs, o H.323 permite que os clientes usem aplicações de multimídia sem mudar sua infra-estrutura de rede.
Por fornecer interoperabilidade entre dispositivos, aplicações, fabricantes, ele é de grande valia para os usuários de equipamentos que necessitam de certas aplicações.
Os PCs estão se tornando plataformas mais e mais poderosas de multimídia devido a processadores mais rápidos, a instruções avançadas, e a poderosos chips aceleradores de multimídia. Com o H.323 o fluxo da rede pode ser controlado, isto é, o gerente de rede pode restringir a quantidade de largura de banda da rede disponível para conferências. A sustentação do multicast reduz também exigências da largura de banda.
O H.323 tem a sustentação de muitas companhias e organizações de comunicações, incluindo Intel, Microsoft, Cisco, e IBM. Os esforços destas companhias gerarão um nível mais elevado da consciência no mercado.
7.2 - Benefícios-chave do H.323
7.2.1 - Padrões de Codec
O H.323 estabelece padrões para a compressão e o descompressão de streams de dados de áudio e vídeo, assegurando-se de que o equipamentos de fabricantes diferentes tenham alguma área de sustentação comum.
7.2.2 - Interoperabilidade
Os usuários querem se comunicar sem se preocupar com a compatibilidade no ponto de recepção. Além de assegurar-se de que o receptor possa descomprimir a informação, o H.323 estabelece métodos para que os clientes destinatários informem suas potencialidades ao remetente.
7.2.3 - Independência Da Rede
H.323 é projetado funcionar no topo das arquiteturas de rede comuns. A partir do momento que a tecnologia das redes evolui, e as técnicas de gerenciamento de largura de banda melhoram, as soluções baseadas em H.323 poderão tirar proveito destas potencialidades realçadas.
7.2.4 - Independência da plataforma e da aplicação
O H.323 não está amarrado a nenhum hardware ou sistema operacional. As plataformas que seguem as regras do H.323 estarão disponíveis em muitos tamanhos e formas.
7.2.5 – Suporte a multiponto
Embora o H.323 possa suportar conferências de três ou mais pontos sem requerer uma unidade de controle especializada, as MCUs (multipoint control units) fornecem uma arquitetura mais poderosa e mais flexível para hospedar conferências multiponto.
7.2.6 - Gerência da largura de banda
O tráfego de áudio e vídeo é intenso e poderia obstruir a rede corporativa. O H.323 dirige-se a este assunto fornecendo a gerência da largura de banda. Os gerentes de rede podem limitar o número das conexões H.323 simultâneas dentro de sua rede ou a quantidade de largura de banda disponível às aplicações H.323. Estes limites asseguram que o tráfego crítico não seja ultrapassado.
7.2.7 - Sustentação de Multicast
O H.323 suporta o transporte do multicast em conferências multiponto. O multicast emite um único pacote a um subconjunto de destinos na rede sem repetição. Em contraste, no unicast emite múltiplas transmissões ponto-a-ponto, quando o broadcast emite a todos os destinos. No unicast ou no brodcast, a rede é usada sem eficiência por os pacotes serem replicados por toda a rede. A transmissão multicast usa a largura da banda mais eficientemente desde que todas as estações no grupo do multicast leiam um único stream de dados.
7.2.8 - Flexibilidade
Uma conferência H.323 pode incluir destinatários com potencialidades diferentes. Por exemplo, um terminal com potencialidades de áudio somente pode participar em uma conferência com terminais que têm potencialidades do vídeo e/ou dos dados.
7.2.9 - Conferencias entre redes
Muitos usuários querem conferenciar de uma LAN a um local remoto. Por exemplo, o H.323 estabelece meios de ligar sistemas desktop baseados em LANs com os sistemas do grupo ISDN. O H.323 usa tecnologias de codec de diferentes padrões de vídeo- conferências para minimizar os atrasos de processamentos e prover uma performance otimizada.
8. Capítulo VIII – Conclusão
Com o desenvolvimento de novas tecnologias de controle de fluxo nas redes, já se pode ver que é perfeitamente aceitável o seu uso para a telefonia, o que antes era feito exclusivamente por comutação de circuitos e não era imaginado ser feito por comutação de pacotes, pois, por ser uma atividade que necessita interatividade (é feita em tempo real), não teria a qualidade suficiente para sua implementação.
A tendência para o futuro é que todas as ligações, e não só as corporativas em suas redes internas, sejam feitas com o uso do VoIP, o que acarretaria uma grande economia por parte dos usuário de ligações de longas distâncias e um grande prejuízo nas empresas de telefonia que não se atualizem a esta nova realidade.
9. Apêndice A – Perguntas e Respostas
1) Qual a principal vantagem no uso do VoIP ?
R: Realizar ligações de longa distância com o pagamento de tarifas locais, o que acarreta uma grande economia, principalmente em grandes corporações.
2) Explique, de forma sucinta, uma ligação entre dois pontos por meio de uma rede IP.
R: O cliente A quer se comunicar com o cliente remoto B que, como é muito distante, pertence a um outro PSTN geralmente. "A" conecta-se ao gateway de VoIP interno e este a sua própria rede local PSTN. Para que sejam operados, de fato, os gateways são vistos pela PSTN como um número de telefone simples. O gateway exige a ligação com o número do telefone que o cliente A quer se comunicar (o mesmo que aconteceria se a ligação fosse feita de um telefone normal). Ao ser recebido tal número, o gateway consultará várias tabelas a fim de localizar um outro gateway local de VoIP ao cliente de B. Isto de acordo com o gateway, tentará pelo telefone estabelecer o início de uma sessão que chama B ao interior de sua PSTN. Assim que o início de uma sessão for estabelecido, a voz viaja no meio A para o B, saindo de uma PSTN, entrando na Internet e sucedendo de algum jeito a fim chegar à outra PSTN.
3) Qual o principal fator que causa atraso nas comunicações por comutação de pacotes?
R: O principal fator de atraso nas comunicações por comutação de pacotes consiste nas filas que se formam nos roteadores ao longo do caminho do pacotes do remetente ao destinatário.
4) O que faz o protocolo RSVP para melhorar a QoS no uso do VoIP?
R: Este protocolo funciona de modo a reservar uma parcela certa da banda apenas para as aplicações que demandem respostas em tempo real, que é o caso do VoIP. Cada roteador que suporta tal protocolo tem a habilidade de reconhecer perfeitamente a prioridade nos pacotes que estão enfileirados, distinguindo entre aqueles urgentes (pacotes real-Time) e aqueles menos, agindo conseqüentemente.
5) Por que o método de compressão PCM, apesar de ter a maior MOS, não é utilizado?
R: Ele não é utilizado pois não comprime tanto o dado quanto os outros métodos, ocupando assim uma maior banda.
10. Apêndice B – Bibliografia
http://telemat.die.unifi.it/book/1998/VoIP/indexVOIP.html
http://www.fcc.gov/voip/
http://www.tldp.org/HOWTO/VoIP-HOWTO.html
http://www.cisco.com/en/US/tech/tk652/tk701/tech_protocol_family_home.html
http://www.protocols.com/pbook/VoIP.htm#H323
http://www.ietf.org/html.charters/intserv-charter.html
http://www.cse.ohio-state.edu/~jain/cis788-99/ftp/voip_protocols/index.html
http://www.cse.ohio-state.edu/~jain/cis788-99/ftp/h323/index.html
http://www.packetizer.com
http://www.multirede.com.br/
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