Redes  ‐ Aula 5Qosvoip

Prof. Rodrigo Coutinho

Voip

• Tecnologia de comunicação de voz sobre as redes IP

• Digitaliza e codifica a voz em pacotes para transmissão pela rede

• Alternativa competitiva em relação às redes de telefonia

• É possível comunicar‐se com os telefones convencionais

Voip  – Por que?

• Redução de custos– Comunicações não precisam passar pelas telefônicas

– Rede WAN pode ser compartilhada

• Melhoria operacional– Estrutura de redes comum

– Simplificação de administração da rede

• Integração de ferramentas de trabalho– Voice mail, e‐mail e fax integrados

– Mobilidade usando IP

• Novos serviços– Aplicações integradas ao VoIP

Voip  – Convergênci a

Voip  – Arqui tetura bási ca

VoIP ‐ Comp onentes

• Codificação e decodificação da voz analógica– Conversão e compressão dos dados

• Sinalização– Setup e encerramento das ligações

– Negociação de recursos e codificações

• Transporte do tráfego– Transmissão em pacotes IP

– Roteamento

– Suporte à qualidade de serviços (QoS)

• Identificação– Número do telefone ou endereço IP

VoIP ‐ Codi fi cação

• Diversos Codecs diferentes disponíveis– Balanço entre qualidade, processamento (requisitos e delay) e taxa de 

bits

– Qualidade medida em MOS (Pesquisa entre usuários)

– MOS varia entre 1 (ruim) e 5 (excelente)

– MOS = 4 – Qualidade de telefone público

VoIP ‐ Codi fi cação

QoS

• Quality of Service• Razões

– Nem todo tráfego deve ser tratado igual– Alguns tipos de tráfego precisam de latência baixa– Clients podem pagar mais para ter um serviço melhor– Necessidade de coexistência de tráfegos distintos

• Rede precisa garantir um nível de serviço– Delay (atraso)– Jitter (variação de atraso)– Perda de pacotes

• Precisa ser negociado no início da conexão– Cliente requisita o recurso, que pode ser atendido ou não

QoS – Mundo real

• Os links tem banda reduzida, então é preciso priorizar o tráfego, especialmente VoIP

• QoS auxilia a diminuir os picos e usar a banda de forma mais eficaz, se o problema é de bursts periódicos

• QoS auxilia mas não resolve um link que está saturado

• Uso “profilático”: Antes da saturação para proteger as aplicações sensíveis

• Deve levar em conta os objetivos organizacionais

QoS – Ap li cações

• Voz– Reduz latência

– Usar banda com inteligência

– Priorizar tráfego de voz

• Servidores e aplicações– Balanceamento de carga

– Web caching

– Confiabilidade

– Alta disponibilidade

QoS em Voip  ‐ Problemas

• Atraso– Echo (Eco) – Tratado pelos sistemas. Causado pela reflexão de sinal. 

Significativo quando roundtrip > 50ms

– Sobreposição – Quando a voz de um interlocutor atravessa a do outro. Ocorre quando o atraso fica grande ( > 250ms)

• Fontes de atraso em uma ligação Voip– Algoritmo – Necessidade de receber uma quantidade de frames de voz 

para só então processá‐los

– Processamento – Causado pela codificação e encapsulamento para transmissão na rede; jitter buffer

– Atraso da rede – Tempo usado pelo meio físico para transmissão (velocidade do meio; atrasos em routers; buffer contra variação)

QoS em Voip – Soluções de Contorno

• Echo Cancellation– Necessário na maioria dos casos ( delay > 50 ms)

– Requerimentos de performance definidos na ITU G.165

– Componentes: Correlator (tamanho do atraso); FIR filter (remove o echo); Speech detector (detecta voz)

• Jitter– Uso de buffer para aguardar os packets mais lentos

– Causa delay adicional

• Objetivos conflitantes: Minimizar delay x Jitter

• Packet loss– Redes IP não são orientadas à conexão (perda de pacotes)

– Retransmissões TCP não são ideais (voz é sensível ao tempo)

– Pode ser compensado por envio de informação redundante

Voip  – Exemp los de atraso

Codec PacketizationDelay

Sender Codecdelay

Jitter buffer delay

Receiver codec delay

G.711 20 1 40 1

G.729 20 15 40 2

QoS – Formas de entregar

• Camada 1 – “Primórdios”– Circuitos separados para voz e dados

– Uso ineficiente e administração menos eficaz

• Camada 2 – Visão ATM– Uso de células ATM com Qos do ATM (AAL)

– Overhead pelo tamanho das células e necessidade de gerência das redes ATM e IP

• Camada 3 – Visão IP– Multiplexação via IP

– Administração de IP, com uso de tecnologias QoS de camadas 2 e 3

QoS – RSVP

• Resource Reservation Protocol– Protocolo de reserva de recursos

– Desenhado para obter características similares a circuitos virtuais em uma rede IP

– Ideal para QoS de natureza “quantitativa”, onde a aplicação identifica claramente seus requisitos de qualidade

– Não escalável pois trata as requisições QoS com o conceito de fluxo

QoS – IntServ

• Aplicações solicitam reservas de recursos de rede conforme as necessidades

• Flow Specs– Tspec – Aspecto do tráfego

– Rspec – tipo de necessidade para aquele tráfego

• RSPEC– Normal ‐ “best effort” aplicações comuns

– Controled Load – Qos light;

– Guaranteed – Prometido – usual para video e voz

• Utiliza RSVP

• Pouco funcional em larga escala

QoS – Di ffServ

• Classifica os pacotes para tratá‐los

• Administrador de rede é que define as prioridades

• Domínio Diffserv– Grupo de roteadores que implementa política comum

• Usa o campo ToS (Type of Service) do datagrama IP para priorização (chamado de DS)– Classifica os pacotes conforme SLA estabelecido

– Níveis de serviço são diferentes conforme política estabelecida em cada caso

– Mais escalável que o RSVP, mas classificações QoS não são tão granulares

QoS – Di ffServ

• Formas de classificação– Endereço de origem ou destino; Tipo de tráfego ou Porta utilizada

• Domínio, quando recebe pacotes, nem sempre confia na marcação Diffserv existente

• Teoricamente, pode possuir até 64 tipos diferentes

• Na prática, se dividem em 4 grandes grupos– Default PHB – geralmente tráfego melhor esforço

– Expedited Forwarding (EF) – low‐loss, low‐latency

– Assured Forwarding (AF) – grupo de controle

– Class Selector PHB – manter compatibilidade com campo precedência do ToS

QoS – Di ffServ

• Default PHB– Único requerido. Tratamento padrão.

• Expedited Forwarding (EF)– Baixo delay, perda e jitter– Ideal para voz e vídeo em tempo real– Normalmente é a maior prioridade

• Assured Forwarding (AF)– Garante a entrega do pacote, caso esteja dentro de limite pré‐

estabelecido– Low, Medium and High Drop

• Class Selector PHB– Compatibilidade com o precedence do ToS

Di ffServ – Bandwi dth Broker

• Aloca largura de banda conforme policies da organização

• Administração centralizada das policies do domínio– No Diffserv normal, cada roteador toma sua decisão

Di ffServ ‐ Problemas

• Problemas fim‐a‐fim– Cada domínio Diffserv trata pacotes de forma diferente

– Tag do domínio anterior não vale nada

• DiffServ x Mais capacidade– Em redes de fibra, tem sido mais barato e fácil aumentar os links do 

que fazer policies Diffserv

• Provedores usam de forma incorreta– Finalidade de overbooking dos links

– Exemplo clássico: pacotes P2P

QoS – RTSP e COPS

• Real‐time Streaming Protocol– “Controle‐remoto” para vídeo e áudio em tempo real

– Usa o RTP para transmitir o conteúdo em si

– Sintaxe e operação similares ao HTTP, mas protocolo é stateful

– Usa porta 554 tanto para UDP ou TCP

– Tipos de Requests: Describe; Setup; play; Pause; Record

• Common Open Policy Service– Protocolo para comunicação de políticas de QoS entre os nós da rede

– Policy Decision Points (PDP) ‐ Servidores

– Policy Enforcement Points (PEP) ‐ Clientes

Protocolos

• Protocolo de sinalização– Estabelece presença, localiza usuário e estabelece/regula as sessões

– Codecs, config. chamadas, modo de autenticação, segurança, etc

• Protocolos de transporte– Transmitem sinais de áudio/video pela rede

• Protocolos de suporte– Localização de gateway

– QoS

– Tradução de endereços

RTP e RTCP• Real‐time Transport Protocol

– Utiliza UDP (TCP é previsto, mas raro)

– Protocolo voltado para transmissão em tempo real

– Provê timestamp, detecção de perda, segurança e identificação do conteúdo

– Sessões são separadas para cada tipo de mídia (ex. audio e video)

• Real‐time Transport Control Protocol– Usado para monitoração do QoS e informação de participantes 

daquela sessão

• Compressão de cabeçalho IP– Cabeçalhos RTP + UDP + IP se tornam muito grandes para o tamanho 

dos dados no pacote

RTP e RTCP

• Compressão de cabeçalho VoIP– Cabeçalhos RTP + UDP + IP se tornam muito grandes para o tamanho 

dos dados no pacote (40 bytes), cerca de 60% do tamanho do pacote VoIP!

• Vários esforços para compressão de cabeçalho– CRTP (Compressed) ‐ Gera overhead de processamento no roteador

– ECRTP (Enhanced)

– ROHP (Robust Header Compression) – Mais comum; funciona como um ZIP (cabeçalho reduz para 3 bytes)

H. 323

• Especifica conjunto de protocolos e procedimentos para comunicação multimídia em redes comutadas por pacotes– LANs baseadas em IP; MANs; WANs

• Provê mecanismos de áudio, vídeo e dados

• Versão 2: revisão da anterior para atender aos requisitos de telefonia IP

• Família H.32x trata de comunicação multimídia sobre diferentes tipos de rede

• Inter‐operável com outras redes de comunicação

• Usos mais comuns: VoIP e videoconferência

H. 323 ‐ Comp onentes

• Terminais, Gateways, Gatekeepers e MCUs

• Terminais– PC ou telefone VoIp

– Suporta áudio e opcionalmente vídeo e dados

– Terminais são compatíveis com a família H.32x

• Gateways – Conecta as redes H.323 a outras redes.

– Ex. SCN (Todos a telefonia baseada em circuitos, PSTN)

H. 323 ‐ Comp onentes

• Gatekeepers ‐ Ponto focal das ligações– Sua presença na rede é opcional (Uma vez na rede, a utilização é 

obrigatória!)

– Serviços de endereçamento, autenticação, cobrança e gerenciamento da banda

• Multipoint Control Units (MCU)– Suporta conferência de 3 ou mais terminais

– Negocia entre os terminais para escolher os codecs a serem utilizados

• Componentes são logicamente separados, mas podem estar fisicamente em um equipamento

H. 323 – Zona e Protocolos

• Zone H.323– É a coleção de terminais, gateways e MCUs controlados por um único 

gatekeeper. 

– Inclui pelo menos um terminal. GWs e MCUs opcionais

– Independente de topologia da rede

• Protocolos definidos em H.323– Codecs de áudio

– Codecs de vídeo

– H.225 RAS (Registration, Admission and Status)

– H.225 Call Signaling

– H.245 Control Signalling

– RTP/RTCP

H. 323

H. 323 – Codecs

• Áudio– É o serviço mínimo provido pelo H.323

– Todos os terminais precisam suportar ao menos um codec de áudio (G.711 – 64 kbps)

– Outros codecs mais eficientes (ver quadro)

• Vídeo– Como o serviço é opcional, codecs também o serão

– Se o terminar prover vídeo, precisa suportar ao menos o codec H.261

H.323 – Codecs de áudi o

H. 323 – Procotolos

• H.225 Registration, Admission and Status (RAS)– Protocolo usado entre term/GK ou GK/GK– Registro, admissão, controle de banda e desconexão– Sinalização RAS é feita antes dos demais protocolos

• H.225 Call Signaling– Usado para estabelecer conexão entre dois endpoints– Pode ser aberto entre 2 endpoints ou entre PC e GK

• H.245 Control Signaling– Mensagens de controle fim‐a‐fim– Negociação de capacidades; canais lógicos; controle de fluxo e outros 

comandos

• RTP e RTCP

H. 323 – Gateways

• Tradução transparente de H.225 Call Signaling e H.245 Control Signaling; 

• RTP não é alterado

• Tradução de formatos de áudio/vídeo também pode ser realizada

• Tradução não requerida se formatos são compatíveis (ex. família H32x)

H. 323 – Gatekeep ers• Serviços obrigatórios

– Address Translation – Tradução de endereços IP para E.164 (números de telefone PSTN)

– Admission Control – Quais terminais podem conectar (pode ser nula)

– Bandwidth Control – Se um limite de ligações foi atingido, o gatekeeper nega. (pode ser nula)

– Zone Management

• Serviços opcionais– Call‐Control Signaling – pode ser controlada pelo gatekeeper 

ou diretamente pelos terminais

– Call Management – Informação sobre ligações ativas

H. 323 – H.225 RAS• Usa UDP• Gatekeeper discovery

– Pode ser estático ou dinâmico (pense em DHCP)– Dinâmico: envia mensagem ao endereço Multicast

• Endpoint registration– Processo onde os terminais entram em uma zona, informando seu 

endereço– Todo terminal precisa se registrar no GK

• Endpoint location– Determinação do endereço de transporte de um terminal e seu 

alias ou endereço PSTN (E.164)

• Outros controles– Admissão, controle de banda e desconexão

H. 323 – H.225 Call Si gnali ng

• Configura a conexão entre endpoints

• Utiliza TCP

• Mensagem pode ser trocada diretamente entre endpoints se:– Não há um gatekeeper na rede

– O Gatekeeper, durante o RAS, instruiu os terminais a fazê‐lo

• Gatekeeper‐routed ou Direct call signaling

H. 323 – H.245 Control Si gnali ng

• Mensagens trocadas entre endpoints

• Usa TCP

• Troca de capacidades– Troca de informações sobre capacidades de transmissão e 

recebimento entre os terminais

• Logical Channel Signaling– Carrega informação de um endpoint para outro ou para 

múltiplos. 

– Provê mensagens para abrir ou fechar o canal lógico, que é unidirecional

H. 323 – Resumo da chamada

• Passo 1 – registro do terminal no GK via H.225 RAS

• Passo 2 – Setup da chamada via H.225 Call Signaling

• Passo 3 – Setup das capacidades e abertura de canais lógicos via H.245 Control Signaling

• Passo 4 – troca de multimídia usando RTP e RTCP

• Passo 5 – finalização: H.245; H.225 CS; H.225 RAS

H. 323 – Chamada

SIP – Sessi on Ini ti ati on Protocol

• Protocolo de sinalização para estabelecimento, modificação e término de sessão entre usuários

• Oferece vários tipos de serviços para sessão– Localização e Disponibilidade do usuário

– Recursos do usuário

– Negociação

– Gestão e Modificação da sessão

• SIPv2 se comunica tanto por TCP quanto por UDP

• Componentes: Agentes e Servidores de rede– Agentes ‐ Aplicações nas máquinas cliente

– UAC (Cliente) e UAS (Servidor)

SIP – Servi dores

• Proxy: Encaminha pedidos de chamadas ao próximo servidor– Pode operar stateful (circuit) ou stateless  (tcp)

– Resolve o endereço de host de várias maneiras: DNS, busca em DB ou retransmite para o próximo proxy

• Redirect: Fornece nome e localização do usuário– Fornece informações ao cliente para que ele possa contatar o 

destinatário

• Registrador: Serviço de informação de localidades– Utiliza o Session Description Protocol (SDP)

SIP – SDP

• Descreve sessões de comunicação multimídia no SIP

• Provê negociação de tipos de mídia suportados

• Session Descriptor possui uma série de valores/atributos para identificação daquela sessão

• Não provê o conteúdo em si, só as negociações de conteúdos suportados

SIP – Arqui tetura

• Arquitetura Proxy + Redirect + Registrador provê grande flexibilidade– Endereço do usuário é sempre o mesmo, qualquer que seja sua 

localização ou IP, mesmo quando o usuário remoto é móvel

• Sessões podem envolver múltiplos participantes– Via Multicast; Unicast; ou combinação de ambos

• Adequação natural a um ambiente de colaboração– Variedade de dados que podem ser transmitidos

• Utiliza protocolos RTP/RTCP para transmissão da mídia

SIP – Funci onamento

• Métodos– Invite – inicia uma sessão

– ACK – confirmação de invite

– Cancel – cancelamento

– Options – negociação das funcionalidades

– Register – registrar o alias

– Bye – finaliza sessão

• Códigos de resposta derivam do HTTP– 1xx até 5xx, mesmo significado

– 6xx – Classe de erro Global (falha em qualquer server)

SIP – Funci onamento• Autenticação

– HTTP Digest ou TLS

– Servidor proxy responde a um primeiro pedido com a mensagem (407 – Auth required) e o desafio;

– Após o ACK, o INVITE é reenviado com o mesmo identificador da chamada

• Segurança– IPSec; S/MIME e TLS

• Aplicações– Voz, Vídeo, mensagens instantâneas (MSN)

– Conferência Ad‐hoc, usando RTP e RTCP, sem garantia de identificação de todos os usuários presentes

SIP – Sessi on Ini ti ati on Protocol

• Usa mensagens de texto– Cabeçalho e sintaxe idênticos ao HTTP

• Requer um endereço IP válido– Destinatário registra o endereço com o comando SIP REGISTER

– Origem usa esse endereço para comunicação

• Usa URIs: ex. sip://jose@abc.com.br– Host é obrigatório; usuário, porta e outros parâmetros são optativos

– Pode ser embutido em páginas Web, e‐mail, etc

SIP – Comuni cação

SIP header

SIP versus H323

• SIP vem ganhando espaço – simplicidade

• H.323 é mais robusto e complexo– Usa vários protocolos e não é baseado em texto

– Exige maior esforço de implementação

• Forças do H.323– Interoperabilidade com PSTN

– Videoconferências

• H.323 tem menor integração com outros componentes da Internet– Não foi inicialmente desenvolvido com foco em internet

Exercíci os

• (Cespe – Pref. Rio Branco/07) A pontuação de qualidade auditiva segundo o MOS (mean opinion score), definido pela recomendação ITU‐T P.862, possui valores de 1 a 5, sendo 1 ótimo e 5 ruim.

• O protocolo SIP (session initiated protocol) vem sendo largamente utilizado para o gerenciamento de sessões e trocas de fluxo multimídia entre aplicações. O servidor proxy é um dos componentes da arquitetura de sinalização da especificação SIP.

• O formato das mensagens do protocolo SIP são semelhantes ao das mensagens do protocolo HTTP, uma vez que as mesmas são embasadas em texto.

• A utilização do padrão de codificação G.711, definido pelo ITU‐T, não é recomendado para codificação de voz em redes IP devido a baixa taxa de compressão.

Exercíci os

• (CBM/DF/08 – Cespe) Para emprego da tecnologia VoIP, voltada para o tráfego de voz sobre redes IP, tem sido considerado, comumente, o emprego dos padrões SIP e H.323, que permite chamadas com mais de dois participantes, usando‐se computadores e telefones como pontos terminais, além de admitir a negociação de parâmetros.

• (Bacen/2005 – FCC) Para que os terminais de VoIP negociem o algoritmo de compactação de voz, é utilizado, da pilha de protocolos H.323, o protocolo

• (A) G.711. (B) H.225. (C) H.245. (D) Q.931. (E) RTCP.

Exercíci os

• (Receita/2005 – Esaf) VoIP é a capacidade de transmitir conversas por voz pela rede Ethernet local e até mesmo pela rede remota. A voz compartilha o cabo Ethernet com os dados, dispensando a necessidade de um cabo de telefone separado.

• (Abin/2004 – Cespe) Os protocolos RTP (real time transport protocol) e RTCP (real time control protocol) foram especificados para controlar a qualidade dos serviços de redes IP, de modo a permitir um transporte de voz de qualidade sobre tais redes. 

• O gatekeeper é um dispositivo obrigatório para a operação do protocolo H.323, pois tem a responsabilidade de traduzir endereços, gerenciar a largura de banda utilizada e realizar tarifação.

Exercíci os

• (TCU/2005 – Cespe) O protocolo IP, ao descartar, durante operação de comutação, um pacote de um fluxo de videoconferência, envia ao endereço de destino do pacote descartado uma mensagem de alerta sobre a operação de descarte, para que o destino possa compensar a perda com alguma operação local para manter a continuidade da videoconferência.

• Cada terminal especificado no padrão H.323 tem de suportar no mínimo o padrão de codificação de voz G.711.

• O gatekeeper, cujas funções incluem a tradução de apelidos H.323 para endereços IP e o gerenciamento de banda, é um dispositivo opcional do H.323.

• O real time protocol (RTP) fornece mecanismos para assegurar a entrega de dados a tempo e em ordem, de modo que, mesmo funcionando sobre o user datagram protocol (UDP), o RTP garante a qualidade de serviço (QoS) para aplicações multimídia.

• No modelo de serviços diferenciados (DiffServ) para fornecimento de QoS na arquitetura TCP/IP, emprega‐se o resource reservation protocol (RSVP) para reservar largura de banda e capacidades de buffers dentro da rede DiffServ.

Exercíci os

• (CGU/08 – Esaf) Cada participante de uma sessão do protocolo de transporte em tempo real ou RTP (Real Time Transport Protocol) usa um número fixo de endereços de transporte, em uma comunicação unicast, sendo distribuídos da seguinte forma:

• a) 2 para o fluxo RTP.

• b) 1 para o fluxo RTP e 1 para mensagens do protocolo de controle em tempo real ou RTCP

• c) 1 para o fluxo RTP e 2 para mensagens RTCP (Real Time Control Protocol).

• d) 2 para o fluxo RTP e 1 para mensagens RTCP (Real Time Control Protocol).

• e) 2 para fluxos de mensagens RTCP (Real Time Control Protocol).

Exercíci os

• (Dataprev/2001 – Cespe) Terminais   H.323   são   entidades   capazes   de   transmitir   e receber, obrigatoriamente, áudio e vídeo (videoconferência) e, opcionalmente, dados (T.120).

• Um  ambiente  H.323  mais  completo  envolve  entidades  para controle de registro, admissão e estado (RAS) e controle de recursos  de  rede,  inclusive  largura  de  banda, denominados gatekeepers.

• Gateways são   conversores   de   protocolo   que   permitem  a interoperação  entre  ambientes  H.323  e  outros ambientes de colaboração via rede.