Determinaçao do consumo de débito binário em Voz sobre IP

No artigo passado realizamos uma pequena introdução sobre a tecnologia VoIP. No artigo de hoje pretendemos pois, abordar aspectos basilares relacionados ao consumo de debito binário tão escassos e necessários para a tecnologia VoIP.
Como dizíamos, o consumo de débito binário nesta tecnologia é um factor importante porque os recursos de débito binário numa rede de comutação de pacotes são sempre escassos.

Em Angola até este ano muitos provedores de serviço oferecem como débito binário para ligações em feixes Hertzianos no máximo 512kbps. Alguns provedores a cabo oferecem no máximo 8Mbps. Considere a rede da figura abaixo.

Mudança de sinalização VoIP

Fig 1.1: Mudança de sinalização VoIP

Supondo que cada telefone possui um débito binário de 64kbps, se não fossem aplicadas técnicas de controlo de consumo de débito binário teríamos de compartilhar este débito binário, o que daria cerca de  512kbps / 32 = 16kbps por cada terminal supondo que todos estão a comunicar ao mesmo tempo. Para garantir débito necessário pode-se recorrer a técnica de compressão de pacotes.

As técnicas de controlo de consumo de débito binário em ambientes VoIP dependem também do tipo de Codec utilizado.

O Codec é o componente necessário para transformar o sinal de voz analógico em digital e é implementado por meio de PDS’s (i.e. Processadores Digitais de Sinais) em Gateway’s da rede VoIP.

Para melhor determinação do débito binário, são necessários conhecimentos do consumo de débito binário por cabeçalho na camada de transporte. A tabela 1.1 possui os valores e consumo em bytes:

Tabela 1.1: Consumo de débito binário por protocolo em bytes

Cabeçalho ou Protocolo Consumo em Bytes
IP (Internet Protocol) 40
TCP (Transport Control Protocol) 20
UDP (User Datagram Protocol) 8
RTP (Real-time Transport Protocol) 12
cRTP (compressed Real-time Transport Protocol) 2 ou 4
MP (Protocolo Multilink Ponto-a-Ponto) ou Protocolo Frame Relay fórum (FRF).12 6
End-of-Frame no protocolo MP e frames do Frame Relay 1
Cabeçalhos Camada 2 no Protocolo Ethernet 18
Frame Check Sequence (FCS) ou Cyclic Redundancy Check (CRC) 4

Existem expressões para o cálculo do consumo de débito binário duma rede usando um determinado Codec. Algumas delas são as seguintes:

  • Tamanho Total do Pacote = (Cabeçalho Camada 2: MP ou FRF.12 ou Ethernet) + (Cabeçalho IP/UDP/RTP) + (Tamanho do Payload de Voz).      (Eq. 1.1)
  • Taxa de bit do Codec = (Tamanho da Amostra do Codec) / (Intervalo da Amostra do Codec).      (Eq. 1.2)
  • PPS (Pacotes Por Segundo) = (Taxa de bit do Codec) / (Tamanho do Payload de Voz).     (Eq. 1.3)
  • Largura de Banda Por Chamada = Tamanho Total do Pacote * PPS.            (Eq.3.6)

Onde:

  • Taxa de bit do Codec – É o número de bits por segundo necessários para encaminhar uma chamada de voz. É medido em kbps.
  • Tamanho da Amostra do Codec – É o número de bytes capturado pelo a cada intervalo de amostragem. É medido em bytes.
  • Intervalo de Amostragem do Codec – É o intervalo de amostragem que o Codec trabalha. É medido em ms (milissegundos).
  • Payload de Voz – É a representação da informação dentro do pacote. Necessita de ser um múltiplo do Tamanho da Amostra do Codec. É medido em bytes. O Payload de Voz também pode ser medido em ms quando se leva em conta a duração das amostras do Codec.
  • PPS – É o número de pacotes que precisam ser transmitidos por segundo em relação a taxa de bit do Codec e o número de bits por pacote.

Exemplo 1: Determinar a largura de banda por chamada necessária para um terminal que use o Codec G.728 com Tamanho da Amostra do Codec de 10 bytes e Intervalo da Amostra do Codec com duração de 5ms. Considere usar a compressão RTP e MultiLink Protocol.

Resolução:

É necessário determinar o tamanho total do pacote.

  • Tamanho Total do Pacote = (6 bytes do cabeçalho MP) + (2 bytes de Cabeçalho RTP comprimido) + (60 bytes de Payload de Voz) = 68 bytes = 544 bits
  • Taxa de bit do Codec =  10 bytes / 5ms =(10 * 8 bits * 10^3) / 5s =16kbps
  • PPS (Pacotes Por Segundo) = 16kbps / 60 bytes = 33.33 pps
  • Largura de Banda por Chamada = 544 bits * 33.33 pps = 18.4kbps

Cada Codec Adapta-se a uma determinada circunstância. Existem vários fabricantes de Codecs. Este projecto tem um forte enfoque em ambientes Cisco Systems®, por causa de sua popularidade e pelo facto de a maior parte dos simuladores virem dotados de ferramentas deste fabricante. A Cisco Systems® tem vários Codecs habilitados nos seus equipamentos. A tabela 1.2 torna desnecessário realizar cálculos como aqueles que realizamos acima. Esta tabela contem todos os dados necessários para determinar o Codec exacto a utilizar no nosso ambiente ou rede VoIP:

Tabela 1.2: Tabela de Codec’s e seus diversos parâmetros

Tabela codecs e seus diversos parametros

Tabela de codecs e seus diversos parâmetros

Conforme se viu em Exemplo 1, 18.4 kbps por chamada, mesmo usando compressão de cabeçalho RTP é um valor alto para as necessidades da rede da figura 1.1.

A qualidade dum Codec é também determinada pela avaliação MOS (i.e. Mean Opinion Score). O MOS é uma avaliação realizada em relação a uma resposta subjectiva dum ouvinte. Vários Codecs são colocados em avaliação e os ouvintes dão uma avaliação na escala MOS de 1 a 5 conforme a tabela 1.3.

Tabela 1.3: Score MOS

Score

Definição

Descrição

5

Excelente

Um sinal de voz perfeito gravado em um local silencioso

4

Bom

Qualidade de uma chamada telefónica de longa distância (PSTN)

3

Razoável

Requer algum esforço na escuta

2

Pobre

Fala de baixa qualidade e difícil de entender

1

Ruim

Fala não clara, quebrada

Pela tabela 1.4 os melhores resultados são avaliados consoante a média da avaliação dada pelos ouvintes:

Tabela 1.4: Avaliação do MOS a Métodos de compressão

Método de Compressão

Taxa de bit (kbps)

MOS

Atraso (ms)

G.711 PCM

64

4.1

0.75

G.726 ADPCM

32

3.85

1

G.728 LD-CELP

16

3.61

3 a 5

G.729 CS-ACELP

8

3.92

10

G.729 x 2 Encodings

8

3.27

10

G.729 x 3 Encodings

8

2.68

10

G.729a CS-ACELP

8

3.7

10

G.723.1 MP-MLQ

6.3

3.9

30

G.723.1 ACELP

5.3

3.65

30

O Codec G.711 recebeu a melhor avaliação, embora o Codec G.729 seja melhor opção por ser aquele que consegue um bom equilíbrio entre o consumo de débito binário e um bom MOS.

Fonte: BAIÃO, Nataniel [Implementação duma rede Voz sobre IP num ambiente Multi-Serviços: Usando ambiente de simulação por computador para projectar Qualidade de Serviço, UCAN]

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Introdução a Voz sobre IP

Ao contrário dos sistemas de telefonia pública em comutação de circuitos, a tecnologia  de voz sobre IP VoIP(Voice over IP) utiliza a comutação de pacotes para a transmissão de voz. A voz acústica é digitalizada e embutida num pacote VoIP. O VoIP utiliza datagramas[1] IP para o transporte dos pacotes. O cabeçalho dum pacote VoIP é ilustrado na figura a seguir:

cabecalho voip

Cabeçalho VoIP

Notemos que o cabeçalho depende do tamanho do Codec de voz, mas apenas sem o tamanho o mesmo já tem 40 bytes[2]. O Codec G.729 sem compressão, possui 20 bytes. Isso faz com que o pacote possua 60 bytes, uma sobrecarga desnecessária no ambiente de voz. Mais adiante falaremos de técnicas para controlar estes inconvenientes.

O protocolo TCP (i.e. Transport Control Protocol) não é recomendado para esse transporte, porque é um protocolo com garantia de entrega que baseia-se na confirmação do emissor e retransmissão em caso de perca de pacotes. Essa retransmissão pode acarretar problemas de atraso na comunicação, num ambiente que necessita de ser totalmente interactivo.

O protocolo UDP (i.e. User Datagram Protocol) ao contrário não possui garantia de entrega de pacotes e possui um cabeçalho menor em relação ao protocolo TCP. A figura abaixo ilustra como é feita a conversão da sinalização da voz da rede de comutação de telefonia pública para sinalização da rede de comutação em pacotes e sua transmissão:

Mudança de sinalização VoIP

Pela figura acima, um terminal realiza uma chamada a uma rede remota utilizando a rede global conhecida como Internet. A Gateway[3] atrás da Internet realiza a conversão da voz em comutação de circuitos para comutação de pacotes e a Gateway do outro extremo realiza conversão de sinalização inversa, isto é de pacotes para circuitos.

Nos Backbone’s na Internet é necessário garantir que o atraso seja o mais constante possível e não exista variação de atraso de modo a garantir uma comunicação com qualidade. Por isso são necessárias técnicas de Engenharia de Tráfego e Qualidade de Serviço, conforme veremos nos capítulos a frente.


Fonte: BAIÃO, Nataniel [Implementação duma rede Voz sobre IP num ambiente Multi-Serviços: Usando ambiente de simulação por computador para projectar Qualidade de Serviço, UCAN]

[1] Informação sendo transportada na camada de transporte do modelo OSI

[2] 1 byte equivale a 8 bits

[3] Dispositivo de fronteira entre redes e/ou tradução de protocolos.

O processo de Digitalização da Voz

Para entender melhor a razão técnica da adopção do VoIP é necessário perceber bem o processo de Digitalização da Voz, até chegar ao VoIP. Comunicações analógicas, sempre foram usadas nas transmissões. No entanto por causa da sua falta de eficiência, sentiu-se a necessidade de se adoptar outra técnica de transmissão.

Um dos motivos que levou a isso foi os demasiados erros de transmissão que as transmissões analógicas comportam. Com o aumento da distância na transmissão de informação, a amplitude do sinal degrada, tornando difícil, separa-lo do ruído de transmissão. Quando o sinal é amplificado, o ruído também é amplificado, tornando a informação irreconhecível.

A forma de onda da comunicação digital foi modulada de tal forma que existam apenas dois estados binários, o Zero e o Um. Dessa forma é mais simples separa-lo do ruído de comunicação.

A conversão do sinal analógico para o digital, comummente usada em ambientes tradicionais de voz é a Modulação Codificada por Pulsos o PCM (i.e. Pulse Code Modulation) definido pela ITU-T G.711.

Faixa de frequências

O domínio das frequências de voz está situado entre os 8 Hz a 12kHz. Na banda entre os 150 Hz e 8kHz o espectro é mais concentrado. A ITU-T na recomendação G.132 e G.151 determina que em sistemas telefónicos a faixa de frequência utilizada esteja entre os 300 Hz e os 3.4kHz.

Amostragem

Para a digitalização do sinal e realizada a amostragem do sinal filtrado usando a Modulação PAM (i.e. Pulse Amplitude Modulation) que converte o sinal analógico original num trem de pulsos com amplitude e frequência constantes. Este trem de pulsos move-se a uma frequência constate conhecida como frequência de amostragem.

O sinal de voz pode ser amostrado a milhões de ciclos por segundo ou a pequenos ciclos por segundo. O sinal analógico de voz é recriado usando o teorema de Nyquist[1], segundo o qual, a frequência necessária para recriar o sinal original de voz, ou seja a frequência de amostragem, tem de ser maior que duas vezes a mais alta frequência do sinal original de voz. A frequência de amostragem pode ser determinada pela expressão abaixo:

Onde:

Fa – É a frequência de amostragem.
BW – É a largura de banda do sinal original de voz.

Como a frequência mais alta do sinal são 3.4kHz então o sinal original pode ser reconstruído sem distorção a frequência de 8kHz.

Quantificação

A quantificação tem por objectivo atribuir valores discretos de amplitude ao sinal amostrado. Esta operação introduz distorção no sinal, que é geralmente conhecido como ruído de quantificação. O erro de quantificação, está associado ao intervalo de quantificação. O intervalo de quantificação q possui um determinado número de amostras e representa-as pelo centro do seu intervalo Xi. Se for retirada uma amostra do sinal X(t) no instante X(ti) cujo centro do intervalo de quantificação é definido por Xi. A figura abaixo ilustra isso:

Quantificação no processo de amostragem do sinal

Considere-se uma amostra do sinal X(t) tirada no instante ti a qual se encontra no intervalo Xi+q/2>X(ti)>Xi-q/2. Esta amostra irá ser quantificada pelo nível Xi. O erro de quantificação será definido por Eq = Xi – X. Onde X= X(ti).

Codificação

O processo de codificação, consiste em transmitir os níveis de quantificação usando-se códigos binários, a fim de aproveitar a imunidade ao ruído das transmissões digitais, conforme a figura a seguir:

Codificação no Processo de amostragem do sinal

O número de bits necessários para representar cada amostra é dado pela equação abaixo:

Expressao para determinar Numero de bits

Onde L é o numero dos níveis de quantificação. Como a cada amostra são atribuídos 8 bits e a frequência de amostragem é igual a 8kHz, então temos um débito de 64kbps (i.e. 8 bits x 8kHz=64kbps).

Fontes:

1 – Joao J. O. Pires [Sistemas e Redes de Telecomunicações, Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Instituto Superior Técnico]

2 – BAIÃO, Nataniel [Implementação duma rede Voz sobre IP num ambiente Multi-Serviços: Usando ambiente de simulação por computador para projectar Qualidade de Serviço, UCAN]

 


[1] Engenheiro. Contribuiu para a teoria da informação

A importância das redes Voz sobre IP

Com o aumento da necessidade de comunicação entre entidades comerciais e administrativas, o uso da Internet e das comunicações de voz como meio de inter-relacionamento assumiu uma importância nunca antes vista. Com a criação da WWW (i.e World Wide Web) a partir do fim dos anos 80, início dos anos 90 e o aumento do número de clientes da Internet, as entidades comerciais e administrativas notaram que não havia uma integração entre os dados e a voz.

Uma entidade tinha de ter uma rede de dados e uma rede de voz. Isto tinha consequências, como o aumento de custos e a dificuldade técnica de instalação, gerenciamento e manutenção. Por exemplo, uma universidade tinha de gastar recursos financeiros elevados, apenas para interligar os seus campus em diferentes localizações geográficas.

 

Em Angola entidades governativas a nível mesmo de municípios e comunas continuam a debater-se com problemas de custos de chamadas telefónicas não autorizadas e controladas, devido a dificuldade de se controlar, quem chama, quanto chama e quando chama.

O padrão de comunicação que permite reduzir custos de chamadas de voz e adiciona facilidades de gerenciamento e controlo chama-se VoIP (i.e. Voice over IP) ou Voz sobre IP. Este padrão veio tirar proveito da larga escalabilidade da Internet uma rede globalmente estabelecida, e dos seus modelos de comunicação, como o modelo OSI (i.e. Open Systems Interconnection) ou o modelo TCP/IP (i.e. Transport Control Protocol/Internet Protocol), para estabelecer ligações de voz a partir da Internet.

 

Talvez nos perguntemos porque não era possível antes fazer-se isso. Na verdade, sempre foi possível, dado que a maior parte dos protocolos estavam já criados ou em fase de criação. O único problema foi sempre o transporte. Os meios físicos de transporte de dados dos anos 70 não tinham o débito necessário para suportar grandes dimensões de dados, quanto mais de voz.
Com o passar dos anos e o advento de tecnologias e meios de transporte, como as fibras ópticas e a criação de padrões de Qualidade de Serviço, ou técnicas de engenharia e controlo de tráfego para controlar o alto débito binário da multiplexagem TDM[1] então o conceito e adopção de VoIP foi ganhando mais aceitação e mais investimentos, como temos verificado até hoje.

Fonte: BAIÃO, Nataniel [Implementação duma rede Voz sobre IP num ambiente Multi-Serviços: Usando ambiente de simulação por computador para projectar Qualidade de Serviço]


[1] A informação é transmitida em fatias de tempo

Voice over IP (VoIP) e a Segurança

VoIP tornou-se praticamente padrão de telefonia nas corporações e não podia ser para menos. Afinal já não existe qualquer sentido em ter aquelas centrais e pabxs de telefonia que existiam antigamente. O processo de digitalização dos dados integrou voz e dados na mesma linha de transmissão.

So que isto acarreta problemas sérios de segurança nas transmissões. Muitos administradores configuram as centrais telefónicas com valores default. Outros não realizam hardening dos dispositivos finais e da própria rede. Muitos desses IP phones e centrais digitais são configurados via web, alguns deles acessíveis pela Internet por exemplo.

Este documento do David Endler e do Mark Collier faz uma abordagem desta temática. Eles que escreveram um livro sobre VoIP (In)Security.

VoIP no Linux: tecnologia e ferramentas para o uso diário

“Em uma série de artigos da Linux Magazine, vamos examinar desde os princípios básicos da tecnologia de Voz sobre IP (VoIP) — mostrando como se pode integrar o VoIP ao sistema de telefonia já existente e o que é preciso para conseguir fazer e receber chamadas de qualquer pessoa que use um telefone normal ligado ao sistema de telefonia atual —, incluímos um panorama dos codecs mais comuns, usados pela maioria das operadoras de gateways VoIP.

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