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Cap6 Aula Voip
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VOIP Voz sobre IP
Materiais usados
• Apresentação do Will Dennis com permissão do autor
• Cap 7 de Multimedia Systems and Signals, Mandal
• Ver livro VOIP na página do TERENA – Terena VOIP Cookbook Cap.2, Cap.3 e Cap.
7 (donde foram extraídas figuras)
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Sumário
• Motivação para o VOIP • Qualidade da voz no VOIP • Digitalização de voz : CODECs • Componentes VOIP • Protocolos VOIP • Cenários para VOIP
O que é a VoIP? A VOIP e o Telefone na Internet são métodos que convertem os sinais de voz em dados digitais e enviam-na através da Rede IP.
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Vantagens do VOIP
• Redução de custos • Mais largura de banda • Integração da voz e dados • Eficiência da rede • Mais e melhores serviços
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Cenários de Utilização VOIP
• Cenário 1: Encaminhamento de mínimo custo para chamadas de longa distância
• Cenário 2: Alternativa às centrais PBX • Cenário 3: Integração de VOIP e Video-
Conferência
Cenário 1
A separação tradicional
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Cenário 1
Integração entre a Rede Telefônica e de dados
Cenário 1
Implementação da arquitetura
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Cenário 1 Facilidades
• Encaminhamento das chamadas de acordo com hora e o dia da semana
• Encaminhamento por destino • Modificação de números • Gestão de classe de serviço
Cenário 1
• Utilização: Uma empresa com vários escritórios em cidades diferentes da Europa que tem que contactar telefonicamente clientes em todo mundo
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Cenários de Utilização VOIP
• Cenário 1: Encaminhamento de mínimo custo para chamadas de longa distância
• Cenário 2: Alternativa às centrais PBX • Cenário 3: Integração de VOIP e Video-
Conferência
Cenário 2
Situação tradicional
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Cenário 2C
Substituição completa do PBX
Cenário 2c • Terminais simples vs inteligentes • Sinalização: SIP/H.323 • Funcionalidades tradicionais
– Números de emergência – Plano de encaminhamento de chamadas – Integração com a rede pública de móveis – Beeps/telefones sem fios privados/elevadores
• VOIP sem fios • Outros aspectos: servidor de autenticação
RADIUS etc…
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Cenários de Utilização VOIP
• Cenário 1: Encaminhamento de mínimo custo para chamadas de longa distância
• Cenário 2: Alternativa às centrais PBX • Cenário 3: Integração de VOIP e Video-
Conferência
Cenário 3c
• O foco tradicional é na voz – O VOIP tem capacidade de transportar vídeo
• Problemas com a videoconferência – Acessibilidade – Serviços de valor acrescentado – Inter-operabilidade entre diferentes
tecnologias
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Cenário 3c
• Aplicações – Teletrabalho – Telemedicina – Ensino à distância – Serviços ao cliente – Justiça – Laboratórios virtuais/remotos
Cenário 3c
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Mercado VOIP na Europa 2004-2008 ($M)
Source: IDC, European IP Telephone Forecast, 2004-2008
($M)
Aspectos técnicos do VOIP
• Aspectos chave – Qualidade de Serviço (QoS) – Interoperabilidade – Escalabilidade – Segurança – Integração com a RTC
• Arquitetura • Protocolos
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Algumas definições
• Rede Telefônica Comutada (RFN) • Rede de Comutação de Circuitos • Rede Internet (Rede IP)
Qualidade da Voz • A largura de banda é facilmente quantificada
– Qualidade da voz é subjectiva • MOS, Mean Opinion Score
– Recomedação P.800 ITU-T • Excelente – 5 • Boa – 4 • Razoável– 3 • Pobre – 2 • Má – 1
– Um mínimo de 30 pessoas – Ouvir amostras da voz ou conversações
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Qualidade da voz • Mean Opinion Score (MOS)
– Numa escala de 1-5 (5 é melhor) – 4 é a chamada toll quality – Os celulares têm baixa qualidade
• VoIP é comparável aos celulares
• Causas da baixa qualidade da voz – Atraso – Jitter – Perdas – Eco
Especificação de QoS
Parâmetros Toll Quality Abaixo da Toll Quality
MOS R-Value
≥ 4 ≥ 80
>3.5 and < 4 >70 and < 80
Atraso fim a fim (1 sentido)
≤150ms (sem ligação satélite) ≤ 400 (com satélite)
≤ 400ms
Grau de Serviço < 2% < 2%
Perda de Pacotes < 0.1% < 2%
Jitter dos pacotes < 5 ms < 10 ms
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CODECs • Codificam e descodificam dados
analógicos para transporte sobre redes digitais (independe/ do tipo de rede) – Série g para audio;Série h para video
• Comum - pulse code modulation (PCM) – amostragem -> quantização -> codificação – G.711: 8000 Hz x 256 Níveis Q= 64 kbit/s
• Norma bem conhecida para RDIS
• codecs podem oferecer compressão e detecção de silêncio
Codificadores de Voz
Codificador de Forma de onda Codificador de Fonte
Domínio do tempo: PCM, ADPCM
Domínio da frequência: Codificador de sub-banda, Codificador de Transformada adaptativa
Codificador Preditivo Linear
Vocoder
Codec de forma de onda: tenta preservar a forma de onda; não específico da voz.
PCM 64 kbps, ADPCM 32 kpbs, CVSDM 32 kbps Vocoders: Analiza a voz extrai e transmite os parâmetros Usa parâmetros do modelo para sintetizar voz LPC-10: 2.4 kbps
Híbridos: Combinam o melhor dos dois… Eg: CELP
Taxonomia de CODECs de Voz
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G.728 LD-CELP 16. 0 4.1 2 37.5 G.729 CS-ACELP 8.0 4.1 20 34 G.729a CS-ACELP 8.0 3.4 20 17
2. Codificação de Voz
Codec Data Rate (Kbps)
Representative Voice Quality
(MOS) Delay (ms)
Complexity (MIPS)
G.711 PCM 64.0 4.3 0.125 0 G.721 ADPCM 32.0 4.1 0.125 6.5 G.726 Multirate ADPCM 16 - 40 2.0 - 4.3 0.125 6.5 G.723 MP -MLQ ACELP 5.3, 6.3 4.1 70 25
www.zdnetindia.com
codecs comums usados na VoIP:
Classes de Codecs
• 3 classes diferentes – Codecs de forma de
onda – Codecs de fonte
(Vocoder) – Codecs Híbridos
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Codecs de Forma de Onda
• PCM, ADPCM • A entrada é amostrada, quantizada e
reconstruída no receptor • Não é necessário conhecimento da fonte
Princípios de Compressão Áudio § Redundância Estatística
§ Menos bits para valores de amostra mais comuns § Redundância Temporal
§ Correlação entre valores de amostras vizinhas § Redundância inter-amostra
§ Redundância do Conhecimento § Explorar conhecimento partilhado entre
codificador e descodificador § Ficheiros MIDI /Vocoder
§ Propriedades do Sistema Humano de Audição § Aumentar a qualidade subjetiva do sinal áudio
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Função Taxa de Distorção
§ Teorema de Shannon para codificação da fonte sem erros § Limite na compressão sem erros
§ Fontes áudio naturais § Compressão sem perdas máxima 2:1 § Compressão com perdas usada na prática
§ Obtenção de maior razão de compressão.
Codecs de Fonte
• Unificam o sinal de entrada com um modelo matemático
• Modelo de Filtro predictivo linear do aparelho vocal
• Flag Voz/Sem voz para a excitação • É enviada informação em vez do sinal • Baixos débitos de bits mas sons sintéticos • Débitos maiores não melhoram muito
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Codecs de Fonte • Construir um modelo básico para voz
– Implementá-lo no TX e no RX • Durante a codificação determinar os
parâmetros do modelo para ajustá-lo ao sinal de entrada
• Determinar a excitação – Apenas dois estados de excitação :Ruído
branco (sem voz) e Trem de pulsos (voz) • Transmitir a excitação & parâmetros
Codecs da Fonte
• O receptor reproduz a voz com os parâmetros recebidos e a excitação
• A taxa de bits é baixa 2.4 kbit/s • Qualidade bastante longe do som natural
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Codecs Híbridos
• Tenta combinar as vantagens dos codecs de forma de onda e os codecs fonte
è Baixa taxa de bits & Alta qualidade • Os mesmos princípios que os codecs de
fonte mas – Múltiplos estados de excitação – Minimiza erros entre voz gerada e voz de
entrada – Usa quadros (frames) de 20 ms
Componentes VoIP
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Componentes VOIP Terminal
• Um sistema final onde terminam comunicações e as suas cadeias de dados (media). – Telefone hardware ou software, Videofone – Há uns concebidos para uso por pessoas e outros
para resposta automática – Tem atribuído um endereço IP
• Podem ser usados vários terminais no mesmo IP mas são independentes
• Na maior parte das vezes um terminal pode ter mais que um endereço que são usados para o chamar…
– Se forem usados servidores de Telefone IP os terminais registram-se.
Telefones VoIP
Escolhas possíveis: • Telefone Hardware • Telefone software • Adaptador de telefone
analógico
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Skype
– Aplicação VOIP mais popular
– Chamadas gratuitas para outros utilizadores Skype
– Chamadas baratas (~ ?/min) para fixos e móveis
– Várias funcionalidades adicionais
Skyp
e
Componentes VOIP Servidores
• Podem também fornecer mecanismos adicionais de encaminhamento de chamadas
• São também responsáveis pela autenticação de registros, autorização dos participantes nas chamadas e elaboração de contabilização
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Componentes VOIP Gateway
• São terminais de telefone que facilitam a comunicação entre sistemas terminais que não inter-operam – Tradução de protocolos de sinalização
• SIP e ISDN – Tradução entre endereços de rede diferente IPv6/IPv4 – Tradução entre Codecs
• Podem acumular várias destas funcionalidades • Gateways
– VOIP/PBX é fácil – Entre diferentes protocolos VOIP já é mais complicado
Componentes VOIP Pontes de Conferência
• Fornecem meios para ter conferência multiponto ad hoc ou previamente programadas
• Têm requisitos muito elevados de recursos – Servidores dedicados – Hardware especial para media
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Componentes VOIP Endereçamento
• O utilizador precisa de se identificar a si próprio e destinatário da chamada
• Idealmente – Identificador deve ser independente da
localização do utilizador – Deve ser a rede a localizar o utilizador – Um utilizador deve ser identificado de vários
formas
Componentes VOIP Endereçamento
• Rede Telefônica normal – Números E.164
• Ex: +351 253 604431 • Ao discar o + é substituído por 00 seguido o
código de país e número do assinante – Inicialmente na telefonia IP usava-se o
endereço IP • Difícil de memorizar • Dependente da localização física
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Componentes VOIP Endereçamento
• Atualmente – URIs (RFC 2396) – Números (E.164)
• URIs – Usa um espaço de nomes registrado para
descrever um recurso de uma forma independente da localização • Endereços E-Mail • Idenficadores SIP e H.323
ENUM • ENUM é um protocolo definido pelo RFC
2916, que tem como objetivo traduzir números E.164 em nomes de de domínio Internet
• O ENUM permite o uso de números de telefone tradicionais num contexto de diferentes meios de comunicação nomeadamente os resultantes do desenvolvimento das Redes IP (email, VOIP) facilitando a penetração das novas aplicações no mercado
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O objetivo do ENUM
• Correspondência entre números de telefone no mundo
• Permite a qualquer dispositivo IP estabelecer quando um número de telefone está descrito por um endereço de ponto de serviço IP – E … qual é o ponto de serviço Internet preferido
actualmente – E .. Que endereço IP, protocolo, numero de porta e
endereço de aplicação deve ser usado para contactar o ponto de serviço preferido
Como funciona o ENUM? • Um gateway ENUM VOIP Gateway consulta primeiro o DNS
para verificar se o número discado é atingivel através dum serviço
• A resposta do DNS é uma coleção ordenada de URIs (NAPTR records)
• Se há uma resposta, o gateway seleciona o serviço preferido para completar a chamada
8.7.6.5.4.3.2.1.2.1.6.e164.arpa
2. Gateway DNS Query
3. DNS URI response 1. sip:[email protected] 2. tel:61412356780 3. tel:61212345678
A minha preferência para chamadas de voz é: Tente estabelecer uma chamada VOIP para o meu servidor sip, depois o telefone móvel e a seguir o fixo.
1. Dial: +61212345678 Gateway
IP Phone
DNS Resolver
4. SIP call to sip:[email protected]
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E.164 como identificador universal?
Use this number for any service:
+61 2 12345678
ENUM
fax:+61 2 62486000
mailto:[email protected] http://www.jd.com tel:+61 2 12345678
Protocolos para VOIP
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Ligação da Rede IP à RTC
• Que problemas se colocam? • Que componentes e protocolos são
necessários? • Como suportar a voz na rede IP? • A rede IP é adequada?
Ligação da Rede IP à RTC • Identificação dos utilizadores
– Conversão de identificadores • Sinalização da chamada
– Protocolos de sinalização • Transferência dos média
– Conversão de média – Transporte : TCP vs UDP
• Conferências – IP Multicast
• …
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Pilha de Protocolos H.323
Presentation Session Transport
Data Link Physical
Network
Audio Signal G.711 G.722
G.723.1
G.728 G.729 Video Signal
H.261 H.263
T.127 Data
T.126
RTCP
H.235
UDP
RAS RTP T.124
T.125/T.122 Supplementary Services H.450.3 H.450.2
H.450.1
Control H.245 H.225 TCP
X.224.0
IP
Protocolos H.323
• H.225 Covers narrow-band visual telephone services • H.225 Annex G • H.235 Security and authentication • H.245 Negotiates channel usage and capabilities • H.450.1 Series defines Supplementary Services for H.323 • H.450.2 Call Transfer supplementary service for H.323 • H.450.3 Call diversion supplementary service for H.323 • H.450.4 Call Hold supplementary service • H.450.5 Call Park supplementary service • H.450.6 Call Waiting supplementary service • H.450.7 Message Waiting Indication supplementary service • H.450.8 Calling Party Name Presentation supplementary service • H.450.9 Completion of Calls to Busy Subscribers supplementary service • H.450.10 Call Offer supplementary service • H.450.11 Call Intrusion supplementary service • H.450.12 ANF-CMN supplementary service • H.261 Video stream for transport using the real-time transport • H.263 Bitstream in the RTP Q.931manages call setup and termination • RAS Manages registration, admission, status • RTCP RTP Control protocol • RTP Real-Time Transport • T.38 IP-based fax service maps • T.125 Multipoint Communication Service Protocol (MCS).
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Protocolos • A série de recomendações H.323 evolui do trabalho do
ITU-T no videotelefone e conferência multimídia para RDIS até 2 Mbit/s na série H.320
• O ITU-T trabalhou em comunicações similares sobre redes ATM (H.310, H.321)
• Na RTC analógica (H.324) • Na então recém nascida Ethernet isócrona (H.322) • A partir de 1995 começou a trabalhar em LANs com o IP
como protocolo de nível de rede – Problema da Qualidade de Seviço
Protocolos
• A versão inicial do H.323 foi aprovado pela ITU-T em Junho de 1996 – Os problemas com o QoS atrasaram o processo até o
1998 H.323v2 e H.323v3 3m 1999 – Incorporação de muitas novas funcionalidades para
servir de base ao telefone sobre IP à escala global – Muitos novos melhoramentos no H.323v4 em finais
de 2000 • Fiabilidade, escalabilidade, flexibilidade
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H.323: Abrangência e componentes
Endereços e Registros • H.323 suporta vários tipos de endereços
– Endereço numérico (RTC) • Não inclui informação adicional (Plano de discagem) • O servidor converte-o num endereço de entidade
– H.323-ids: Endereços tipo email, URL-ID – Ao contrário do SIP
• Um endereço registrado por zona que resolve num ponto terminal • Chamadas 1:n requerem um gatekeeper a expandir o endereço
coletivo
• Registros – Expiram após um tempo bem definido – Mensagem de KeepAlive – Registos aditivos
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Modelos de Sinalização
• Sinalização Direta • Sinalização de chamada via gatekeeper • Controle H.245,RAS H.225 e H.225 via
Gatekeeper
Sinalização Direta
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Fases de uma comunicação H.323
• 5 fases: – Estabelecimento de chamada – Comunicação inicial e troca de
funcionalidades – Estabelecimento da comunicação audiovisual – Serviços de chamada – Terminação de chamada
Estabelecimento de chamada
• Pode ter as seguintes realizações – Básica com 2 terminais não registados
• Comunicação directa – 2 terminais registados no mesmo gatekeeper – Só o terminal chamador tem gatekeeper – Só o terminal chamado tem gatekeeper – Ambos os terminais têm gatekeepers
diferentes • Comportamento do terminal depende da
configuração do modelo de sinalização
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Estabelecimento de chamada Gatekeeper A Gatekeeper B
Terminal A Terminal B
Exemplo de Chamada
(1)Permissão para Chamar B (2) Confirmação e Endereço (3) Est.Canal de Sinalização (4)Determinação de Localização e Reencaminhamento de pedido (6,7) Confirmação de permissão de aceitação (8) Indicação de Alerta ou Chamada estabelecida
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Serviços de chamada adicionais • Conferência
– Suporta conferências fechadas – Controlo de acesso – Gestor de Conferência – MC+MP: sincronização da conferência
• Conferência em difusão – Suporte de conferências abertas tipo MBONE
• Serviços suplementares – Transferência de chamada – Chamadas em espera (com mensagem) – ….
Segurança H.235
• Autenticação – Password, Assinaturas digitais
• Integridade – Geração de verificações de mensagem via
password • Privacidade
– Para cifragem dos média – DES, Triple DES ou RC2
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Sinalização: SIP • Session Initiation Protocol
– Protocolo Multimídia que tira partido do modelo Internet para construir redes e aplicações VOIP com base numa arquitetura distribuída
• Entidades – Agente do Utilizador – Gateways – Servidor Proxy – Servidor Redirect – Servidor Registrar
• Protocolos (RFC 2543 v1, RFC 3261 v2) – SDP ( Session Definition Protocol ) – URLs – DNSs – TRIP ( Telephony Routing Over IP)
SIP (Session Initiation Protocol)
• Protocolo de controle ao nível de aplicação – que pode estabelecer, modificar e terminar – sessões e chamadas multimídia.
• Essas sessões multimídia incluem – conferências multimídia – ensino à distância – telefone sobre IP
• O SIP pode envolver – pessoas – robots como serviço de armazenamento.
• O SIP pode convidar participantes – para sessões unicast como Multicast – O iniciador não precisa de ser membro da sessão para a qual é
convidado
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Servidores SIP • Servidor Proxy SIP
– reencaminha a sinalização de chamada funcionando tanto como cliente como servidor
– Funciona de forma transacional, isto é, não mantém informação de estado
– • Servidor SIP Redirect
– Redirecciona chamadas para outros servidores • Servidor SIP Registrar
– Aceita pedidos de registo dos servidores – Mantém informações de utilizadores num Servidor de
Localização (como o GSM)
Session Initialization Protocol (SIP)
• O chamador e o chamado trocam mensagens de texto – Formatos são similares ao HTTP
• O chamado é identificado através dum URL SIP, user@host – A parte do utilizador é um nome do utilizador
ou um nº de telefone – A parte do host é um nome de domínio ou um
endereço de rede
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Registo SIP
Session Initialization Protocol (SIP)
• Um participante pode registrar o seu identificador na localização corrente via um servidor de registo. – Suporta a mobilidade do utilizador uma vez
que as chamadas são redireccionadas para a localização actual do utilizador
• O DNS está a ser expandido para disponibilizar lookups para a localização normal do utilizador
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Estabelecimento de chamada direta SIP
INVITE Session parameters …...
(Response) OK Session parameters …….
ACK
SIP (Estabelecimento de chamada)
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Proxy vs. Redirect • A servidor SIP pode servir como servidor de
proxy ou redirecionar um pedido de chamada – Qual dos métodos aplicar é um problema de
configuração. Pode ser configurado estática ou dinamicamente
• A redireção é útil se o utilizador se mover ou mudar o seu fornecedor de serviço – PSTN: “The number you have dialed is not
available.”) – o utilizador da próxima vez não precisa de tentar o mesmo servidor
• O Proxy é util se é necessário for necessário mais controlo: AAA, firewall, etc…
• Encoding: SIP is a text-based protocol and uses the ISO 10646 character
• Format : SIP-message = Request | Response
• generic-message = start-line *message-header CRLF [ message-body ] • start-line = Request-Line | Status-Line • message-header = ( general-header | request-header | response-header | entity-header ) • Method = "INVITE" | "ACK" | "OPTIONS" | "BYE" | "CANCEL" | "REGISTER"
Mensagens SIP
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Códigos de Resposta SIP
• 4yzClient – 400 Bad Request – 401 Unauthorized – 482 Loop Detected – 486 Busy Here
• 5yzServer failure – 500 Server Internal Error
• 6yzGlobal Failure – 600 Busy Everywhere
• Borrowed from HTTP: xyz explanatory text
• Receivers need to understand x • 1yz Informational
– 100 Trying – 180 Ringing (processed locally) – 181 Call is Being Forwarded
• 2yz Success – 200 ok
• 3yz Redirection – 300 Multiple Choices – 301 Moved Permanently – 302 Moved Temporarily
Arquitectura SIP
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Sinalização: MGCP, MAGACO
• Media Gateway Control Protocol – Usar o modelo de pacotes de software e disponibilizar uma
arquitectura centralizada para controlar as chamadas e os serviços – Controlador os gateways de telefone de elementos externos de
controlo de chamada designados por gateway de controlo de média ( media gateway controllers ) ou agentes de chamada
(call agents). • Entidades
– MGC (Media Gateway controller / Call agent) – MG (Media Gateway)
• Protocolos – MGCP v1 – RFC 2705 – H.248 (H.248 / MAGACO) – RFC 3525 – SDP (Session Definition Protocol) - RFC 3407
Arquitectura MGCP
PSTN
PBX
T1/E1
FXO/FXS E&M
Call Agent
MGCP Voice Gateway
MGCP RTP
IP Phone ( MGCP Client )
IP Phone ( MGCP Client )